Расчет батареи отопления: Расчёт секций батарей и радиаторов онлайн.

Простые вычисления по площади

Вычислить величину батарей отопления для определенного помещения можно, ориентируясь на его площадь. Это самый простой способ – использовать сантехнические нормы, которые предписывают, что тепловой мощности 100 Вт в час нужно для обогрева 1 кв.м. Надо помнить, что этот метод используется для помещений, у которых потолки стандартной высоты (2,5-2,7 метра), а результат получается несколько завышенным. К тому же он не учитывает таких особенностей, как:

• число окон и тип стеклопакетов на них;
• количество в комнате наружных стен;
• толщина стен здания и из какого материала они состоят;
• тип и толщина использованного утеплителя;
• диапазон температур в данной климатической зоне.

Тепло, которое для обогрева комнаты должны давать радиаторы: площадь следует умножить на тепловую мощность (100 Вт). К примеру, для комнаты в 18 кв.м требуется такая мощность батареи отопления:

18 кв.м х 100 Вт = 1800 Вт

То есть, в час для обогрева 18-ти квадратных метров необходимо 1,8 кВт мощности. Этот результат надо поделить на количество тепла, которое в час выделяет секция отопительного радиатора. Если данные в его паспорте указывают, что это составляет 170 Вт, то следующий этап вычислений выглядит так:

1800 Вт / 170 Вт = 10,59

Это число надо округлить до целого (обычно округляется в большую сторону) – получится 11. То есть, чтобы в комнате температура в отопительный сезон была оптимальной, необходимо установить радиатор отопления с 11-ю секциями.

Такой метод подходит только для вычисления величины батареи в помещениях с центральным отоплением, где температура теплоносителя не выше 70 градусов Цельсия.

Есть и более простой способ, который можно применять для обычных условий квартир панельных домов. В этом приблизительном расчете учитывается, что для обогрева 1,8 кв.м площади нужна одна секция. Другими словами, площадь помещения надо разделить на 1,8. Например, при площади 25 кв.м необходимо 14 частей:

25 кв.м / 1,8 кв.м = 13,89

Но такой метод расчета неприемлем для радиатора пониженной или повышенной мощности (когда средняя отдача одной секции варьируется в пределах от 120 до 200 Вт).

Влияние на результат материала изготовления радиатора

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются следующие разновидности радиаторов:

• Чугунные. Чаще всего используется чугунная батарея марки МС-140 с уровнем теплоотдачи 180 Вт. Этот показатель справедлив лишь при использовании теплоносителя с максимальной температурой. На практике такое бывает редко, поэтому фактическая мощность прибора – 60-120 Вт. Именно эти цифры рекомендуется использовать при проведении расчете ватт на квадратный метр отопления.
• Стальные. Имеют почти такую же площадь, что и чугунные. Это же касается и параметров, точные значение которых указываются в сопроводительной документации. При этом масса стальных изделий меньше, что делает их транспортировку и монтаж более простым.
• Алюминиевые. Дать общий ответ, сколько отапливает одна секция алюминиевого радиатора проблематично, так как подобные изделия представлены в продаже в большом количестве модификаций. Поэтому в каждом конкретном случае расчета количества секций алюминиевых радиаторов необходимо руководствоваться паспортными данными модели. В общем считается, что средним показателем, сколько обогревает одна секция алюминиевого радиатора, является 100 Вт/м2. Если заявленная мощность прибора меньше, то, скорее всего, речь идет о подделке. Также следует сказать, что уровень теплоотдачи алюминия более высокий, чем у чугуна и стали. Это также следует взять во внимание перед тем, как рассчитать количество секций алюминиевых радиаторов отопления.
• Биметаллические. Эти изделия, совмещающие в себе высокую теплоотдачу алюминия и прочностные качества стали, в настоящее время пользуются наибольшей популярностью у покупателей (уровень мощности одной секции биметаллического радиатора идентичен тому, на сколько квадратов одна секция алюминиевой батареи). Благодаря хорошей теплоотдаче, разрешается несколько сокращать количество секций при установке. Правильный расчет биметаллических радиаторов позволяет сэкономить финансы даже несмотря на то, что биметаллические радиаторы считаются наиболее дорогими.

Максимальные значения теплоотдачи приборов не рекомендуется использовать при расчете секций алюминиевых радиаторов на квадратный метр – теплоноситель в системе обычно никогда не достигает крайних значений. Более надежный путь – использовать минимальные значения, что позволит гарантированно избежать ошибок. Обустроенная на основе расчета секций алюминиевых радиаторов отопительная система будет обеспечивать комфорт в жилище даже при сильных морозах.

Рассмотрим метод вычислений для комнат с высокими потолками

Однако расчет отопления по площади не позволяет верно определить количество секций для комнат с потолками выше 3 метров. В этом случае надо применять формулу, учитывающую объем помещения. Для обогрева каждого кубического метра объема по рекомендациям СНИП необходим 41 Вт тепла. Так, для комнаты с потолками высотой 3 м и площадью 24 кв.м, расчет будет следующим:

24 кв.м х 3 м = 72 куб.м (объем комнаты).

72 куб.м х 41 Вт = 2952 Вт (мощность батареи для обогрева помещения).

Теперь следует узнать количество секций. В случае, если в документации радиатора указано, что теплоотдача одной его части в час составляет 180 Вт, надо разделить на это число найденную мощность батареи:

2952 Вт / 180 Вт = 16,4

Это число округляется до целого – получается, 17 секций, чтобы обогреть комнату объемом 72 куб.м.

Путём не сложных вычислений можно с лёгкостью определить нужные вам данные.

Тепловая мощность 1 секции

Как правило, производители указывают в технических характеристиках обогревателей средние показатели теплоотдачи. Так для обогревателей из алюминия он составляет 1.9-2.0 м2. Чтобы высчитать, какое количество секций потребуется, нужно площадь помещения разделить на этот коэффициент.

Например, для той же комнаты площадью 16 м2 потребуется 8 секций, так как 16/ 2 = 8.

Эти расчеты приблизительные и использовать их без учета теплопотерь и реальных условий размещения батареи нельзя, так как можно получить после монтажа конструкции холодную комнату.

Чтобы получить самые точные показатели, придется рассчитать количество тепла, которое необходимо для обогрева конкретной жилой площади. Для этого придется учитывать многие корректирующие коэффициенты. Особенно важен такой подход, когда требуется расчет алюминиевых радиаторов отопления для частного дома.

Формула, необходимая для этого выглядит следующим образом:

КТ = 100Вт/м2 х S х К1 х К2 х К3 х К4 х К5 х К6 х К7

1. КТ – это то количество тепла, которое требуется данному помещению.
2. S – площадь.
3. К1 – обозначение коэффициента для остекленного окна. Для стандартного двойного остекления он равен 1.27, для двойного стеклопакета – 1.0, а для тройного – 0.85.
4. К2 – это коэффициент уровня утепления стены. Для неутепленной панели он = 1.27, для кирпичной стены с кладкой в один слой = 1.0, а в два кирпича = 0.85.
5. К3 – это соотношение площади, занимаемой окном и полом.Когда между ними:
   50% — коэффициент составляет 1.2;
6. 40% — 1. 1;
7. 30% — 1.0;
8. 20% — 0.9;
9. 10% — 0.8.
10. К4 – это коэффициент, учитывающий температуру воздуха по СНиП в самые холодные дни года:
11. +25 = 1.2;
12. +20 = 1.1;
13. +15 = 0.9;
14. +10 = 0.7.
15. К5 указывает на корректировку при наличии наружных стен.Например:
    когда она одна, показатель равен 1.1;
16. две наружные стены – 1.2;
17. 3 стены – 1.3;
18. все четыре стены – 1.4.
19. К6 учитывает наличие помещения над комнатой, для которой производятся расчеты.При наличии:
    неотапливаемого чердака – коэффициент 1.0;
20. чердак с обогревом – 0.9;
21. жилая комната – 0.8.
22. К7 – это коэффициент, который указывает на высоту потолка в комнате:
23. 3.0 м = 1.05;
24. 3.5 м = 1.1;
25. 4.0 м = 1.15;
26. 4.5 м = 1.2.

Если применить эту формулу, то можно предусмотреть и учесть практически все нюансы, которые могут повлиять на обогрев жилой площади. Сделав расчет по ней, можно быть точно уверенным, что полученный результат указывает на оптимальное количество секций алюминиевого радиатора для конкретного помещения.

Если вы решили установить алюминиевые радиаторы отопления важно знать следующее:

Какой бы принцип расчетов ни был предпринят, важно сделать его в целом, так как правильно подобранные батареи позволяют не только наслаждаться теплом, но и значительно экономят на энергозатратах. Последнее особенно важно в условиях постоянно растущих тарифов

Дополнительные параметры, которые нужно учесть

Произведя примерный расчет количества секций радиаторов отопления для своей квартиры, не забудьте его откорректировать, приняв во внимание особенности помещения. Их нужно учитывать следующим образом:

• для угловой комнаты (две стены выходят на улицу) с одним окном мощность радиатора надо увеличить на 20%, а при двух окнах – на 30%;
• если радиатор монтируется в нише под окном, его теплоотдача снизится, это компенсируется увеличением мощности на 5%;
• на 10% следует увеличить, если окна выходят на северную либо северо-восточную сторону;
• экран, для красоты закрывающий радиаторы, «крадет» 15% их теплоотдачи, которые также надо учесть при расчете.

В самом начале следует рассчитать общее значение необходимой для помещения тепловой мощности, учитывая все наличествующие параметры и факторы. И лишь затем разделить это значение на количество тепла, которое выделяет в час одна секция. Результат при дробном значении, как правило, округляется до целого в большую сторону.

Производим расчеты по объему помещения

Для панельного дома со стандартной высотой потолков, как уже указывалось выше, расчет тепла производится из потребности 41 ватт на 1м3. Но если дом новый, кирпичный, в нем установлены стеклопакеты, а наружные стены утеплены, то нужно уже 34 ватт на 1м3.

Формула расчета количества секций радиатора выглядит так: объем (площадь, умноженная на высоту потолка) умножается на 41 или 34 (в зависимости от типа дома) и делится на теплоотдачу одной секции радиатора, указанного в паспорте производителя.

Например:

Площадь комнаты 18 м2, высота потолка 2, 6 м. Дом – типичная панельная постройка. Теплоотдача одной секции радиатора – 170 ватт.

18Х2,6Х41/170=11,2. Итак, нам нужно 11 секций радиатора. Это при условии, что комната не угловая и в ней нет балкона, в противном случае лучше установить 12 секций.

Специфика и другие особенности

Также возможна и другая специфика у помещений, для которых делается расчет, не все же они похожи и совершенно одинаковы. Это могут быть такие показатели как:

• температура теплоносителя меньше 70 градусов – число частей соответственно предстоит увеличить;
• отсутствие двери в проеме между двумя помещениями. Тогда требуется подсчитать общую площадь обоих помещений, чтобы вычислить количество радиаторов для оптимального обогрева;
• установленные на окнах стеклопакеты препятствуют потере тепла, следовательно, можно монтировать меньше секций батареи.

При замене старых чугунных батарей, которые обеспечивали нормальную температуру в комнате, на новые алюминиевые или биметаллические, калькуляция весьма проста. Умножитьте теплоотдачу одной чугунной секции (в среднем 150 Вт). Результат разделите на количество тепла одной новой части.

Готовимся к зиме – расчет количества секций радиаторов отопления.

Здесь существует три метода, которые базируются на общих принципах:

• стандартная величина мощности одной секции может варьироваться от 120 до 220 Вт, поэтому берется средняя величина
• для корректировки погрешностей в расчетах при покупке радиатора следует заложить 20% резерв

Теперь обратимся непосредственно к самим методам.

Метод первый – стандартный

Исходя из строительных правил, для качественного отопления одного квадратного метра требуется 100 ватт мощности радиатора. Займемся подсчетами.

Допустим, площадь помещения составляет 30 м², мощность одной секции возьмем равной 180 ватт, тогда 30*100/180 = 16,6. Округлим значение в большую сторону и получим, что для комнаты площадью в 30 квадратных метров необходимо 17 секций радиатора отопления.

Однако, если помещение является угловым, то полученное значение следует умножить на коэффициент 1,2. В таком случае, количество необходимых секций радиаторов будет равно 20

Метод второй – примерный

Данный метод отличается от предыдущего тем, что основан не только на площади помещения, но и на его высоте. Обратите внимание, что метод работает только для приборов средней и большой мощности.

При малой мощности (50 ватт и менее) подобные расчеты будут неэффективны ввиду слишком большой погрешности.

Итак, если принять во внимание, что средняя высота помещения равна 2,5 метра (стандартная высота потолков большинства квартир), то одна секция стандартного радиатора способна обогреть площадь в 1,8 м².

Расчет секций для комнаты в 30 «квадратов» будет следующим: 30/1,8=16. Снова округляем в большую сторону и получим, что для обогрева данной комнаты нужно 17 секций радиатора.

Метод третий – объемный

Как видно из названия, подсчеты в этом методе базируются на объеме комнаты.

Условно принимается, что для обогрева 5 кубических метров помещения нужна 1 секция мощностью 200 ватт. При длине в 6 м, ширине 5 и высоте 2,5 м формула для расчета будет следующей: (6*5*2,5)/5 =15. Следовательно, для комнаты с такими параметрами нужно 15 секций радиатора отопления мощностью 200 ватт каждая.

Если радиатор планируется расположить в глубокой открытой нише, то количество секций нужно увеличить на 5%.

В случае, если радиатор планируется полностью закрыть панелью, то увеличение следует сделать на 15%. В противном случае будет невозможно добиться оптимальной теплоотдачи.

Прочитайте статью и узнайте как построить схему водяного отопления частного дома.

Вот здесь – все про то как выбрать радиатор отопления

Климатические зоны тоже важны

Не для кого ни секрет, что в разных климатических зонах имеется разная потребность в обогреве, поэтому при проектировании проекта необходимо учитывать и эти показатели.

Климатические зоны также имеют свои коэффициенты:

• средняя полоса России имеет коэффициент 1,00, поэтому он не используется;
• северные и восточные регионы: 1,6;
• южные полосы: 0,7-0,9 (учитываются минимальные и среднегодовые температуры в регионе).

Данный коэффициент необходимо умножить на общую тепловую мощность, а полученный результат разделить на теплоотдачу одной части.

Выводы

Таким образом, расчет отопления по площади особых трудностей не представляет. Достаточно немного посидеть, разобраться и спокойно посчитать. С его помощью каждый владелец квартиры или дома может легко определить величину радиатора, который следует установить в комнате, кухне, ванной или в любом другом месте.

Если вы сомневаетесь в своих силах и знаниях – доверьте монтаж системы профессионалам. Лучше заплатить один раз профессионалам, чем сделать неправильно, демонтировать и повторно приступить к работе. Или же не сделать ничего вообще.

В продолжение темы: качественные межкомнатные двери www.dveri-tmk.ru помогут сохранить тепло в вашем доме или квартире. И упростить расчёты по площади отопления.

Зачем это нужно

Мотивы для выполнения расчетов довольно очевидны: при проектировании системы отопления необходимо знать количество энергии, которое помещение должно получать в пик холодов для стабилизации внутренней температуры.

В зависимости от результата расчетов подбирается:

• Во всех без исключения системах водяного отопления — суммарная мощность батарей для отдельного помещения и для дома или квартиры в целом.
• В автономных отопительных системах — мощность котла.

Заметьте: при покупке твердотопливного котла желателен избыток мощности, так как его растопки будут периодическими, раз в несколько часов. Избыток тепловой энергии аккумулируется теплоносителем и массивными отопительными приборами; иногда для этой цели в контур включается массивный теплоизолированный водяной бак — теплоаккумулятор.

Компенсация теплопотерь

Чтобы мощности батарей хватило для отопления помещения, нужно внести некоторые корректировки:

• Дробные значения округлить в положительную сторону. Лучше пусть остается некоторые запас мощности, а нужный уровень температуры отрегулируется с помощью термостата.
• Если в комнате два окна, то нужно поделить высчитанное количество секций на два и установить их под каждым из окон. Тепло будет подниматься, создавая тепловую завесу для холодного воздуха, проникающего в квартиру через стеклопакет.
• Нужно добавить несколько секций, если две стены в комнате выходят на улицу, или высота потолка достигает больше 3 м.

Сколько тепла выделяет свинцово-кислотная батарея?

Сколько тепла выделяет свинцово-кислотная батарея?

Иногда нам задают очень интересные вопросы. Недавно нас спросили, сколько тепла выделяет промышленная резервная батарея. Честно говоря, это зависит от того, кого вы спрашиваете. У разных производителей аккумуляторов разные ответы на этот вопрос, и разные методы расчета дают существенно разные ответы.

Выделяемое или генерируемое тепло иногда называют «потерей тепла».

Автор статьи не дает рекомендаций по методам, приведенным ниже. Статья создана, чтобы показать, что между различными используемыми методами существует конфликт.

В общих чертах вопрос задается для расчета требований к вентиляции, и в этой статье рассматриваются различные методы и демонстрируется изменчивость результатов.

Тепло выделяется при подзарядке, подзарядке и разрядке. Тепло, выделяемое при зарядке, является конечным, т.е. когда аккумулятор полностью заряжен, тепло больше не выделяется, но в этот момент аккумулятор переходит в фазу плавающего заряда, и пока аккумулятор находится на зарядке, тепло выделяется.Тепло, выделяемое при разряде, также ограничено, потому что, когда аккумулятор полностью разряжен, тепло не выделяется. Следовательно, мы должны рассмотреть три условия:

1) нагрев при подзарядке.

2) нагрев на плавающем заряде.

3) нагрев при разряде.

Все мы знаем, что свинцово-кислотные батареи тяжелые и имеют большую тепловую массу. Из-за этого во время перезарядки, плавающего заряда и разряда тепло, генерируемое внутри элементов, не будет немедленно рассеиваться в окружающую атмосферу, и есть разные мнения о том, насколько быстро это будет происходить.Частично разногласия являются результатом разных размеров и форм элементов или моноблоков, составляющих батарею, а также того, являются ли они типами VRLA AGM, VRLA GEL или вентилируемыми.

В общих чертах, тепло — это ватты, а ватты можно рассчитать из V x I (вольт x ампер) или мы можем использовать I2R (амперы x амперы x сопротивление). Этот принцип эти формулы могут использоваться для расчета выделяемого тепла.

В этой статье в примерах используется следующая система батарей.В примерах рассматривается следующее: —

a) Аккумуляторная батарея мощностью 300 кВт на 15 м при температуре 20 ° C до не менее 408 В (в среднем 1,70 В на канал).

б) Батарея состоит из 3 параллельных цепочек, каждая из которых состоит из 40 моноблоков на 12 В; то есть 240 ячеек.

c) Напряжение холостого хода 2.27Vpc = 545V.

г) Номинальная емкость каждой гирлянды составляет 110 Ач, т. Е. Общая емкость батареи 330 Ач.

e) Внутреннее сопротивление каждого моноблока равно 3.8мОм. Это значение взято из информации производителя аккумулятора. Следовательно, сопротивление батареи составляет 3,8 мОм x 40 блоков / 3 струны = общее сопротивление 50,7 мОм.

f) Полностью заряженный ток холостого хода 1 мА на Ач = 330 мА. Значение 1 мА на Ач соответствует I-поплавку. (примечание ниже) значение из BS EN 50272.

г) Параметры перезарядки: ток 10% (33 А) и постоянное напряжение 2,27 В на канал (544,8 В).

(Примечание) — Полностью заряженный ток холостого хода можно получить у производителя батареи.Однако в BS EN 50272 (Требования безопасности для вторичных батарей и их установки) типичное значение можно найти в таблице 1. В таблице приведены значения тока при зарядке с помощью зарядных устройств IU или U. Хотя эти значения используются для расчета выбросов газа при зарядке, их также можно использовать для оценки тока при полной зарядке. На практике это значения для наихудшего сценария со встроенным запасом прочности.

Для вентилируемых свинцово-кислотных аккумуляторов, свинцово-кислотных аккумуляторов VRLA и для никель-кадмиевых аккумуляторов значение дается как 1 мА на Ач для условий плавающего напряжения. Мы должны рассматривать Ah как номинальное значение при скорости 10 часов для свинцово-кислотного продукта и 5 часов для продукта NiCd.

Во-первых, нам нужно определить «перезарядку», и в этом контексте мы имеем в виду ток / время, необходимое для возврата емкости, удаленной для предыдущей разрядки. Мы только рассматриваем время полной зарядки.

Количество выделяемого тепла существенно не меняется, хотя параметры перезарядки могут отличаться. Например, ток зарядного устройства, т. Е. 5%, 10% или 15% C10 ампер, или при использовании истинного плавающего напряжения (например,грамм. 2.27Vpc) или повышенное напряжение (например, 2,40Vpc), существенно не изменяют выделяемое тепло или тепловые потери от батареи. Однако выделяемое тепло будет существенно отличаться в зависимости от глубины предыдущего разряда. Для промышленных резервных батарей и в этой статье мы рассматриваем характеристики перезарядки при постоянном напряжении / ограниченном токе; иначе известный как метод IU или модифицированного постоянного потенциала, например, 2,27 В на канал или 2,40 В на канал или аналогичный, с ограничением тока.

На этом этапе стоит отметить, что некоторые производители аккумуляторов считают, что количество тепла, выделяемого при перезарядке, можно рассчитать таким же методом, как если бы аккумулятор находился на плавающем заряде.Этот метод используется ниже в п. 1.1). Эта точка зрения принята, потому что любое тепло, выделяемое при перезарядке, не будет немедленно выделено из-за тепловой массы батареи.

Вычисления тепла усложняются, если мы принимаем во внимание удельные тепловые характеристики аккумулятора и, по крайней мере, один производитель аккумуляторов предоставил результаты, основанные на фактическом типе и конфигурации аккумулятора. Это не помогает определить количество тепла, выделяемого для каждой конфигурации батареи, и нам нужно что-то гораздо более простое для использования в повседневной ситуации.В конце концов, мы смотрим на типичное значение, которое может использоваться для целей охлаждения помещения, а не на конечную «лабораторную оценку». На практике хорошее приближение является достаточно точным.

Отсюда следует, что если количество тепла, выделяемого при перезарядке, меняется с предыдущим разрядом, все остальные параметры в целом не имеют значения. Затем мы можем оценить количество тепла, выделяемого при перезарядке, в зависимости от предыдущего разряда. Чтобы сделать расчет немного более точным, мы должны оценить время до полной зарядки на основе характеристик IU и предыдущей глубины разряда.У большинства производителей есть таблицы или даже программный метод определения времени до различных состояний заряда, включая время полной зарядки. Однако в целом можно сказать, что время до полной зарядки будет составлять много часов, но время до 80% будет зависеть от характеристики IU. Во время перезарядки большая часть тепла будет генерироваться в виде потерь, пока батарея не будет заряжена на 80%, что будет составлять «постоянный ток» части перезарядки. Во время фазы постоянного тока i.е. до 80% заряда, тепло можно оценить с помощью принципа I2R. От 80% до 100% ток поплавка может использоваться для расчета тепла. Некоторые производители аккумуляторов считают, что ток заряда от 80% до 100% вдвое превышает теоретический ток холостого хода. В контексте реальной жары это можно рассматривать как разумный метод. Этот метод используется в п. 1.2) ниже.

1.1) Учитывая, что нагрев такой же, как если бы батарея находилась на плавающем заряде, мы имеем: —

V x I = W или альтернативно методом I2R = W.

1.1.1) В x I = Вт.

Единственная проблема — решить, какое напряжение и какой ток использовать.

Для напряжения разумно рассматривать напряжение как фактическое напряжение холостого хода на клеммах батареи.

Для тока разумно использовать значение I float, как определено в BS EN 50272.

Рассчитать на 1 блок: —

2,27 В на канал x 6 ячеек x 110 мА = 1,498,2 мВт

Следовательно, для блоков 40 x 3 = 1498. 2 x 40 x 3 = 179 784 мВт = 179,784 Вт.

Это тепло будет на время перезарядки 76 часов. Следовательно, тепло можно выразить как 180 Вт x 76h = 13 680 Втч , но более 76h = 180 Вт.

1.1.2) I2R = Вт

Мы можем использовать тот же ток, что и выше, то есть я плаваю, а для напряжения R мы можем использовать сопротивление блока, то есть 3,8 мОм. Из расчета на 1 блок: —

110 мА x 110 мА x 3.8 мОм. = 0,04598 мВт

Следовательно, для блоков 40 x 3 = 5,5176 мВт.

Это тепло будет на время перезарядки 76 часов. Следовательно, тепло можно выразить как 5,5176 мВт x 76ч = 0,42Втч , но за время перезарядки 76 часов = 5,5 мВт.

1.2) Нагрев до 80% заряда плюс нагрев от 80 до 100% заряда

1.2.1) Нагреть до 80% заряда

Учитывая описанную выше систему аккумуляторов, мы знаем, что ток перезарядки будет составлять 33 А до 80% заряда, а с 80% мы будем использовать 2-кратный плавающий ток, то есть, если мы используем метод 2-кратного плавающего тока, ток 330 х 2 = 660 мА. Нам нужно установить состояние заряда после разряда. Предположим наихудший случай максимального тока на 15 м: —

Максимальный ток = 300 кВт x 1000/408 В = 735 А

Удаленная емкость = (735 А x 15 м) / 60 = 184 Ач или 146 Ач заряженных (330 Ач — 184 Ач).

Эти 184 Ач соответствуют 56% разряженным или 44% заряженным.

Мы знаем, что ток перезарядки 33 А (11 А на цепочку) будет течь, пока батарея не будет заряжена на 80%.Состояние заряда 80% = 330 Ач x 0,8 = 264 Ач.

Время от 146Ач в аккумуляторе в конце предыдущего разряда до 264Ач в аккумуляторе = 118Ач / 33А = 3,6ч.

Теперь мы можем оценить тепло от начала подзарядки до 80% заряда, как показано ниже.

Использование I2R на блок: —

11A x 11A x 3,8 мОм = 495,8 мВт.

Следовательно, для блоков 40 x 3 = 59,496 мВт

Этот ток будет течь 3. 6h, что может быть выражено как 214Wh.

ПРИМЕЧАНИЕ. Внутреннее сопротивление промышленных аккумуляторов существенно не меняется со 100% заряда до 10% заряда. Следовательно, действует принцип I2R.

1.2.2) Нагрев с 80% до 100% заряда

Нам необходимо установить время от 80% заряда до полного заряда, и производитель батареи должен предоставить эту информацию. Однако разумным предположением для оценки тепла было бы 72 часа.Принято считать, что полностью разряженную батарею можно заряжать с помощью постоянного тока и от 5% до 15% тока перезарядки в течение 72 часов. Если мы предполагаем полные 72 часа, мы рассматриваем наихудший сценарий.

Теплота блока теперь может быть оценена как: —

110 мА x 110 мА x 3,8 мОм. = 0,04598 мВт

Следовательно, для блоков 40 x 3 = 5,5176 мВт.

Это тепло будет на время перезарядки 72 часа.Следовательно, тепло можно выразить как 5,5176 мВт x 72ч = 0,40 Втч , и если мы удвоим это значение, мы получим 0,79Втч.

Складывая 1.2.1) с 1.2.2), получаем 214Wh + 0,79Wh = 215Wh. Это соответствует времени полной зарядки, что составляет 215 Втч / 76 часов = 2,83 Вт

Большинство производителей аккумуляторов рассматривают тепловыделение при подзарядке как простое вольт x ток. V x I = W, то есть вольт x ток = ватт. В качестве альтернативы может использоваться принципал I2R.

Для получения информации о токе мы можем связаться с производителем батарей или обратиться к международным стандартам, таким как BS EN 50272.

Теперь мы можем произвести расчет. Ниже приведен расчет для той же батареи, рассмотренной выше, то есть для батареи, состоящей из 40 моноблоков на 12 В по 330 Ач. Можно сделать два альтернативных расчета. В 2.1) мы используем метод V X I, а в 2.2) мы используем метод I2R.

2.1) С учетом метода V x I: —

С учетом 1 блока: 2.27 В на канал x 6 ячеек x 1 мА на Ач x 110 Ач = 1,496 Вт.

Следовательно, для полной батареи из 40 блоков и 3-х струн: —

1,496 Вт x 40 x 3 = 180 Вт.

Это тепло будет генерироваться, пока батарея находится в режиме постоянного заряда.

2.2) С учетом метода I2R: —

Рассмотрим для одного блока: 110 мА x 110 мА x 3,8 мОм = 0,04598 мВт

Следовательно, для блоков 40 x 3 = 5.5176 мВт или 0,005 Вт.

Это тепло будет генерироваться, пока батарея находится в режиме постоянного заряда.

Интересно, что многие производители аккумуляторов не указывают значение тепла, выделяемого при разряде, потому что свинцово-кислотные аккумуляторы считаются эндотермическими. Однако производители обычно соглашаются с тем, что все внутренние компоненты и внешние соединения имеют сопротивление и будут выделять тепло при протекании тока.

Опять же, можно использовать простой математический расчет, и большинство производителей батарей принимают I2R как разумное приближение к потерям тепла при разряде. Нам нужно знать ток разряда и внутреннее сопротивление аккумуляторной системы.

Используя ту же батарею 40 x 12 В, разряженную на 300 кВт на 15 м, нам сначала нужно изменить 300 кВт на ток, который можно использовать в расчетах. «Безопасный вариант» — это рассмотреть конец напряжения разряда, а затем рассчитать максимальный ток. Конечное напряжение разряда было задано как 408В (см. Выше). Следовательно, максимальный ток составляет 300кВт x 1000 / 408В = 735А.

Тепловые потери рассчитываются как: —

735A x 735A x 50.7 мОм = 27,4 кВт.

Это может быть выражено как Втч, т.е. 27,4 кВт x 0,25 ч = 6,85 кВт-ч

Поскольку аккумулятор имеет тепловую массу, может пройти много часов, прежде чем это тепло передается в окружающий воздух. Батарея в этой статье будет весить приблизительно 4800 кг. Некоторые производители считают, что тепло, рассеиваемое в комнате, будет распределяться в 10 раз больше времени разряда. В этом примере это будет 2,5 часа. Это будет 2.74кВт на 10ч.

Стоит посмотреть на общие размеры и вес батареи, чтобы оценить потери тепла по сравнению с физическими параметрами батареи. Если бы тепло производилось в пределах 1 м3, это было бы значительно. Однако, если бы тепло находилось в пределах 10 м3, воздействие было бы минимальным. Следующие параметры являются реальными для батареи из блоков 3 x 40 x 110 Ач x 12 В.

Хотя размеры и вес, указанные ниже, являются действительными, мы должны помнить, что стойка открытого типа с большим свободным объемом вокруг моноблоков.Общий объем с учетом открытой площади внутри ячеек, а также между рядами и ярусами рассчитывается как: —

3,7 x 0,8 x 1,3 = 3,8 м3

Тип стойки: 2 ряда х 3 яруса открытого стального типа.

Длина: 3,7 м

Глубина: 0,8 м

Общая высота: 1. 3м

Объем: 3,8 м3

Вес: 4000 кг

Трудно обосновать результаты нагрева, когда батарея находится на подзарядке или в режиме плавающего заряда, потому что батареи не соответствуют стандартным электрическим характеристикам, и поэтому результаты должны быть сомнительными. Мы знаем, что закон сопротивления применительно к батареям не работает. Во многом это связано с характеристиками ОБРАТНОЙ ЭДС батарей, которые делают расчеты V x I сомнительными.Следовательно, любые математические результаты, основанные на этом принципе, должны вызывать подозрение. Соответственно, расчеты V x I должны вызывать подозрение. Чтобы понять это более полно, мы можем рассчитать теоретический ток холостого хода, используя метод I = V / R. В наших примерах мы знаем, что приложенное напряжение холостого хода составляет 2,27 В на канал, то есть 13,62 В для блока из 6 ячеек 12 В, и мы знаем, что сопротивление составляет 3,8 МОм. По закону Ома ток холостого хода должен быть I = V / R = 13,62 В / 3,8 мОм = 3584 А. Ясно, что это неверно.

Если расчеты V x I ненадежны, мы также должны подвергнуть сомнению результаты I2R.Что мы действительно знаем, так это то, что ток — это реальная величина, и внутреннее сопротивление также реально. Поэтому, надеемся, результаты должны быть более точными!

Результаты I2R более реальны, потому что мы знаем, что такое ток, и мы знаем внутреннее сопротивление продукта. Результаты I2R для подзарядки очень малы, и с практической точки зрения на нагрев можно не обращать внимания. В данном примере это всего 5,5 мВтч.

Опять же, если результаты I2R более реальны, а метод V x I ненадежен, то 0.005 Вт тепла на плавающем заряде снова можно считать несущественным.

Единственный метод, который, кажется, используется для нагрева при разряде, — это I2R, и, как и ожидалось, нагрев при разряде значительно выше, чем при подзарядке или плавающем заряде. Что мы должны помнить, так это то, что тепло не будет прекращено немедленно, и необходимо сделать некоторую оценку времени, в течение которого оно будет прекращено. Без сомнения, это будут часы, а не минуты, но это вопрос мнения без консультации с инженером-теплотехником.

При подзарядке и подзарядке нагревается очень мало, особенно если учесть массу аккумулятора. Это удачно, потому что, хотя используются разные методы, результаты незначительны, если рассматривать их в контексте отвода тепла из аккумуляторной.

Что касается тепла, выделяемого при разряде, ситуация иная, поскольку большинство производителей аккумуляторов считают метод I2R наиболее точным. Кроме того, мы можем с большей готовностью принять результаты, потому что при разряде нет обратной ЭДС.В этом примере выделяемое тепло может быть выражено как 27,4 кВт · ч, но, учитывая массу батареи, мы должны учитывать, что это тепло будет отдаваться в течение более длительного времени, чем фактический период разряда 15 м. Не все производители считают, что время разряда в 10 раз больше, но ясно, что тепло не будет отдано мгновенно.

Как оценить время работы от аккумулятора моего нагретого устройства?

Обзор

Один из наиболее часто задаваемых вопросов сегодня новаторами и предпринимателями, стремящимися создать идеальный продукт, обеспечивающий комфорт потребителя, — это: могу ли я питать свой гаджет от аккумулятора? Этот пост поможет вам понять требования и проблемы использования батареи для работы нагретого устройства. Все сводится к вопросам, насколько большой, насколько горячий и какой длины? Поскольку выбор аккумуляторов практически безграничен, цель этого поста — предоставить вам основную информацию, которую должен иметь , чтобы проконсультироваться со специалистом по батареям, который может помочь вам с выбором.

Давайте рассмотрим основы. Тепловыделение зависит от удельной мощности ватт, условий окружающей среды и тепловых потерь (или прироста). Плотность ватт — это количество произведенной мощности, деленное на площадь, производящую мощность, которую чаще всего называют ваттами на квадратный дюйм.

Реальный пример: я разработал мобильный лоток для подогрева и теперь хочу продать его фанатам из Мичигана для футбольных матчей. Размер лотка составляет 8 дюймов на 8 дюймов, в нем используется технология толстопленочного полимерного нагревателя. Я хочу, чтобы нагреватель разогревался примерно до 165 ° F и мог работать около двух с половиной часов. Он будет изолирован, снабжен термостатом и должен работать от батареи. Что теперь?

ШАГ 1 — Установите целевую температуру

Когда все сказано и сделано, установление максимальной рабочей температуры элемента, который вы разрабатываете, является основным фактором при оценке ваших вариантов.Не обязательно зацикливаться на этом, но чем больше переменных вы учтете, тем точнее вы сможете предсказать результат. Будут ли тепловые воздействия, такие как изоляция, воздушный поток или большие тепловые массы, увеличивающие или уменьшающие возможности обогревателя?

Для нашего примера выберем комфортную рабочую температуру 60 градусов

ШАГ 2 — Оцените мощность

После того, как вы определили желаемую температуру в своем устройстве, вы можете определить требуемую мощность в ваттах на квадратный дюйм, выполнив несколько простых тестов (см. Сообщение в нашем блоге « Как определить требуемую плотность ватт в моем устройстве. приложение »для получения инструкций по проведению простого теста для этого).

Еще один способ получить общее представление о том, какая мощность может вам понадобиться, — это посмотреть на приведенную ниже таблицу, выбрать желаемую рабочую температуру и отметить соответствующую плотность ватт. Обратите внимание, что диаграмма отображает тепловую мощность на открытом воздухе на алюминии, поэтому учитывайте окружающую среду и отрегулируйте ее соответствующим образом.

Наша подушка сиденья с подогревом будет изолирована подушкой снизу (предполагая, что более низкая плотность может быть приемлемой) и контролироваться термостатом (предполагая, что более высокая плотность ватт может быть приемлемой для быстрого нагрева), поэтому мы разделим разницу и начнем наше тестирование со стандартной базовой линией для 60 градусов F.Глядя на диаграмму ниже, 60F соответствует примерно 0,5 Вт на квадратный дюйм.

Расчет мощности

8 дюймов x 8 дюймов = 81 квадратный дюйм

64 SQ IN x 0,75 WPSI = 48 Вт (расчетное значение для достижения 165 градусов F в приложении).

ШАГ 3 — Ампер-часы

Определение постоянной нагрузки или мощности, которая требуется, — это большая часть битвы, поэтому теперь, когда у нас есть процесс для этого, мы можем перейти к подготовке к разговору со специалистом по аккумуляторным батареям.Подобно тому, как термин « ватт-плотность » используется разработчиками нагревателей, термин, используемый в мире батарей, — « ампер-часов ». Ампер-час — это единица измерения, используемая для выражения емкости аккумулятора с течением времени. Он рассчитывается путем умножения силы тока (в амперах) на время разряда (в часах).

Чтобы иметь возможность рассчитать силу тока для нашей батареи, вам будет предложено установить напряжение. Хорошие новости! Нагреватели могут быть рассчитаны на очень широкий диапазон напряжений с.

В нашем примере мы укажем аккумулятор на 12 В в качестве отправной точки. Помня, что мощность (P) равна напряжению (В), умноженному на ток (I)

P = V x I или I = P / V

I = 48 Вт / 12 В

I = 4 А

Логика подсказывает, что аккумулятор 12 В с номиналом 10 Ач будет работать около 2,5 часов, когда нагрузка потребляет 4 А, верно? Что ж, вроде как правда. Есть вещи, называемые температурными колебаниями и законом Пойкерта, который говорит, что это не совсем так, но мы оставим детали этого вопроса специалистам по батареям.Достаточно сказать, что вы всегда можете рассчитывать, что батарея прослужит меньше, чем вы ожидаете…

ШАГ 4. Проконсультируйтесь со специалистом по аккумуляторным батареям

Здесь процесс становится интересным, и вам нужно будет проконсультироваться со специалистом по аккумуляторным батареям, чтобы определить наилучшее сочетание размера, напряжения и срока службы для вашего приложения. Будьте готовы обсудить:

• Размер доступного места для аккумулятора
• Рассчитанная вами мощность
• Варианты напряжения, которые подходят вам и вашим управляющим устройствам (при необходимости)
• Минимальный срок службы (в часах), необходимый для работы аккумулятора.

Доступны тысячи комбинаций и технологий, поэтому теперь, когда вы вооружены информацией, которую необходимо предоставить специалисту по аккумуляторным батареям, выбор подходящей батареи должен быть намного проще. Если вы хотите дополнительно обсудить требования к вашему приложению, позвоните, чтобы поговорить с одним из наших инженеров по приложениям по телефону 864-295-4811.

Энтропия и тепловыделение литиевых элементов / батарей

Согласно законам термодинамики, энергия Гиббса — это максимально возможная работа без расширения, производимая замкнутой системой в процессе с постоянными температурой и давлением. В закрытой электрохимической системе нерасширяющейся выходной мощностью является электрическая энергия, поэтому, когда химическая энергия преобразуется в электрическую в обратимом процессе, электрическая энергия равна энергии Гиббса, то есть Δ G = — nFE . Когда химическая энергия преобразуется в электрическую при необратимом процессе, электрическая энергия меньше энергии Гиббса, т.е.е., нФЭ <–Δ G . Остаточная энергия Гиббса преобразуется в тепловую энергию. ^[1]

Во втором законе термодинамики энтропия — это обширная функция состояния при обратимом процессе: d S ≡ d q / T , то есть при обратимом процессе с постоянными температурой и давлением

Основываясь на законах термодинамики, теоретический потенциал электрохимической системы может быть рассчитан на основе данных энергии Гиббса, а максимальная электрическая энергия, которая может быть доставлена ​​химическими веществами, которые хранятся внутри или подводятся к электродам в ячейке, зависит от изменение энергии Гиббса Δ G электрохимической пары.Открытый потенциал ячейки может быть получен экспериментально и меньше теоретического потенциала или равен ему. Как теоретический потенциал, так и открытый потенциал определяются типом электрохимических пар и электролитом, содержащимся в ячейке.

В практическом элементе желательно, чтобы вся энергия Гиббса могла быть преобразована в полезную электрическую энергию во время разряда. Однако потери энергии из-за поляризации происходят, когда ток нагрузки проходит через элемент, сопровождающий электрохимические реакции.

Наиболее важным фактором, влияющим на потери энергии в элементе, является поляризация. Общие поляризации элемента включают: (–) Омическую поляризацию, которая вызывает падение напряжения во время работы, а также потребляет часть полезной энергии в виде отработанного тепла. Полная омическая поляризация ячейки — это сумма поляризаций, вызванных ионным сопротивлением электролита, электронным сопротивлением электродов, токосъемников и электрических выводов обоих электродов, а также контактным сопротивлением между активными материалами и токосъемниками. .Омическая поляризация подчиняется закону Ома с линейной зависимостью между током и падением напряжения. (ii) активационная поляризация, которая запускает электрохимическую реакцию на границе раздела электрод / электролит, и (iii) концентрационная поляризация, которая возникает из-за разницы концентраций между реагентами и продуктами на границе раздела электрод / электролит и разницы концентраций в сыпучие материалы в результате массопереноса.

Все эти поляризации вызывают потребление энергии Гиббса, которая выделяется в виде тепловой энергии в процессе заряда-разряда.

В литиевых элементах активные материалы пористые, что позволяет ионам лития вводиться в них или извлекаться из них во время процесса заряда-разряда, поэтому поляризация литиевого элемента более сложная, а тепловыделение в литиевых элементах также больше сложный из-за тепла, выделяемого при каждом физическом процессе.

Литиевые элементы имеют высокую удельную энергию, поэтому энергия Гиббса в элементах высока. Они будут генерировать высокую тепловую энергию, сопровождающую процесс преобразования энергии Гиббса в полезную электрическую энергию.Если такая тепловая энергия не может быть распределена, температура закрытого литиевого элемента / батареи повышается, что может повлиять на характеристики элемента / батареи.

Кроме того, из-за высокой энергии Гиббса в литиевых элементах, если происходят побочные реакции, из энергии Гиббса преобразуется больше тепловой энергии, что увеличивает температуру. Когда температура литиевых элементов достаточно высока, чтобы вызвать разложение электродов или электролитов, может произойти авария.

Таким образом, исследования энтропии в литиевых элементах были сосредоточены на оценке тепла и оценке деградации элементов, поскольку энтропия — это обширная функция состояния.Исследования тепла в литиевых элементах были сосредоточены на оценке и измерении тепла. Основываясь на оценке тепла и точных измерений, управление литиевыми элементами / батареями / системами и управление ими можно было бы осуществлять плавно, и количество аварий могло бы быть меньше. ^[2]

Согласно законам термодинамики, в замкнутой электрохимической системе Δ S = –Δ G / T = нФ ( E / T ), поэтому изменение энтропии (Δ S ) можно получить через наклон напряжения холостого хода (OCV) в зависимости от температуры.Изменение энтропии обычно можно определить потенциометрическим методом. ^[3] При таком способе элемент разряжается до желаемого состояния заряда (SOC), и после релаксации напряжение холостого хода достигает равновесия, затем элемент подвергается пошаговому изменению температуры, в течение которого контролируется напряжение холостого хода. Типичные результаты потенциометрического метода включают кривую соответствующих OCV в зависимости от температуры и линию наклона графика зависимости OCV от температуры (рис.1).

Рис. 1.

Недавно Schmidt et al . разработал метод спектроскопии электротермического импеданса для определения изменения энтропии, при котором время измерения может быть в 100 раз короче, чем при использовании потенциометрического метода. ^[4] Точность этого метода аналогична точности потенциометрического метода. В спектроскопии электротермического импеданса можно использовать взаимосвязь между тепловым потоком внутри ячейки и результирующим изменением температуры, используя источник синусоидального тока. Когда функция теплопередачи (тепловое сопротивление) известна и измерена температура поверхности, можно рассчитать тепловой поток внутри ячейки. Изменение энтропии (Δ S ) может быть вычислено с помощью линейной функции между тепловым потоком и умножением тока на энтропию.Δ S в ячейках LiFePO ₄ , определенных обычным потенциометрическим методом и спектроскопией электротермического импеданса, показали аналогичное поведение и находятся в хорошем соответствии. Однако наблюдается гистерезисное поведение Δ S из-за наложения зарядного и разрядного тока.

Тепловыделение литиевых элементов в процессе заряда и разряда можно отнести к двум основным источникам: обратимое тепло и необратимое тепло. Необратимое тепло является сложным и описывается в разных формах в разных моделях оценки тепла, но обратимое тепло последовательно описывается как Q _об. = T Δ S = nFT ( E / T ) во всех моделях для оценки тепла.

В типичной электрохимико-термической модели ^[5] скорость обратимого тепловыделения описывается как

В типовой эквивалентной схеме — тепловой модели, ^[6] , скорость обратимого тепловыделения описывается как

Следовательно, скорость обратимого тепловыделения может быть легко рассчитана на основе изменения энтропии или изменения d E / d T .

Если состояния электрода или электрохимической системы изменяются, энтропия должна изменяться одновременно, потому что энтропия является обширной функцией состояния.Следовательно, изменение энтропии можно применять для характеристики изменений электродных структур и оценки состояния элемента / батареи. Язами и др. . исследовали энтропийную кривую и кристаллическую структуру графита, интеркалированного литием. ^{[7, 8]} Кривая энтропии показывает резкий повторный рост при x = 0,5 дюйма Li _x C ₆ , в ответ на переход от хорошо упорядоченного соединения стадии 2 LiC ₁₂ к хорошо упорядоченному соединению стадии 1 LiC ₆ , и наличие промежуточной фазы (фаз) между двумя стадиями интеркаляции с высоким содержанием лития подтверждается данными in situ, XRD и рамановскими спектрами во время интеркаляции иона лития в графит.Кроме того, отрицательное значение энтропии интеркаляции при x > 0,25 в Li _x C ₆ объясняется тем, что частота колебаний атомов лития в графите выше, чем в металлическом литии. Лу и др. . исследовали изменения энтропии LiMn ₂ O ₄ , Li _1,156 Mn _1,844 O ₄ и Li _1,06 Mn _1,89 Al _0,05 O ₄ в материалах половинного катода. -сотовые системы. ^[9] Результаты показывают, что профили энтропии различных катодов из шпинели во время циклирования хорошо коррелируют с фазовым переходом и изменениями порядка / беспорядка.

Кроме того, Махера и Язамиа разработали метод оценки степени деградации ионно-литиевых элементов на основе энтропии и термодинамических характеристик. Они исследовали влияние перезаряда, циклического старения и термического старения на энтропию литий-ионных батарей с использованием катодов из оксида лития-кобальта и графитовых анодов.Энтропия сильно зависит от приложенного напряжения отключения (4,2–4,9 В). Эти изменения хорошо коррелируют с деградацией кристаллической структуры катода и анода. ^[10] С увеличением номера цикла энтропия показывает более значительные изменения, чем наблюдаемые в кривых разряда и потенциала холостого хода, особенно при определенных состояниях заряда и значениях потенциала холостого хода. Эти различия объясняются более высокой чувствительностью функций состояния энтропии к изменениям кристаллической структуры катода и анода, вызванным циклическим старением. ^[11] Кроме того, энтропия показывает более очевидные изменения со временем старения, чем потенциал холостого хода, когда клетки хранятся при 60 ° C и 70 ° C. ^[12] Таким образом, они предполагают, что энтропию можно использовать для характеристики уровня деградации электродных материалов и, следовательно, для оценки состояния здоровья клетки (SOH). Кроме того, Wu et al. предполагают, что дифференциальную тепловую вольтамперометрию (d T / d V ) можно использовать для отслеживания деградации литий-ионных батарей. ^[13]

Основными исследованиями тепловыделения являются исследования процессов и механизмов, помимо побочных реакций (реакций разложения) в литиевых ячейках и тепловой энергии, преобразованной из энергии Гиббса в каждом из них. физический процесс и электрохимический процесс.

Оценка нагрева необходима для управления тепловым поведением батареи в увеличенных системах и для повышения эффективности систем охлаждения.Количественные измерения и расчеты тепла — полезные способы оценки тепла.

Калориметр с ускоренной скоростью (ARC), ^{[14 — 17]} теплопроводный калориметр ^[18] и изотермический калориметр ^[19] использовались в исследованиях тепловыделения во время зарядки. -увольнять. В тесте ARC не происходит потери тепла в окружающую среду, поэтому вся выделяемая энергия реакции касается только самонагрева батареи.С другой стороны, как в калориметре теплопроводности, так и в изотермическом калориметре тепло, выделяемое во время заряда-разряда, передается количественно. Количественные измерения тепловыделения литиевых элементов важны для управления температурой в увеличенных аккумуляторных системах.

Selman et al. измерял ячейки Panasonic (тип CGR 18650H), Sony (тип US18650), A&T (тип 18650) и x-18650 (LiCo _0,2 Ni _0,8 O ₂ и графит в качестве катода и анода соответственно) при Скорость заряда / разряда C / 6 при использовании ARC. ^[14] Сайто измерил ячейки Sony (тип US14500, LiCoO _2, и твердый углерод в качестве катода и анода, соответственно) при скорости разряда C / 5, используя теплопроводный калориметр двойного типа. ^[18]

Расчеты тепла во время заряда – разряда производятся с помощью моделей литиевых элементов / батарей. Среди них наиболее распространены термические модели эквивалентной схемы и электрохимико-термические модели.

В схеме замещения — тепловых моделях литиевые элементы представлены схемами, состоящими из традиционных электрических компонентов.Тепло, генерируемое во время заряда-разряда, разделяется на обратимое ( Q _рев. ) и необратимое тепло ( Q _ирв ). Обратимое тепло ( Q _об. ) рассчитывается по изменению энтропии (Δ S ): Q _об. = T Δ S = nFT ( E / T ), как обсуждалось выше. Существует два распространенных метода расчета необратимого тепла ( Q _ирв ). ^{[20, 21]} Один рассчитывается за счет омического тепла: Q _ирв = I ² R , в котором R изменяется с изменением состояния ячеек, работы и условий окружающей среды. , например, SOC, циклы, плотность тока, температура и т. д. ^[20] Другой метод состоит в вычислении через сохранение энергии и напряжение: Q _ирв = нФ ( E — E _cur ), в котором E — это теоретический потенциал системы ячеек, а E _cur — фактический потенциал с током. ^[21] Тепловые расчеты с помощью эквивалентной схемы – тепловых моделей являются краткими, поэтому они используются в большинстве систем управления теплом, а точность результатов зависит от детализации моделей.

Choi et al. рассчитал тепловыделение литий-ионных элементов, используемых в системах гибридных электромобилей (HEV), с целью разработки простой модели для описания теплового поведения литий-ионной аккумуляторной системы с воздушным охлаждением, предложенной с точки зрения проектировщика компонентов транспортного средства. Посмотреть. ^[20] Walker et al. рассчитал тепловыделение ионно-литиевых ячеек для космических приложений и соединил его со специализированным программным обеспечением для орбитальной тепловой обработки, тепловым рабочим столом (TD), чтобы смоделировать профили зависимости температуры от глубины разряда (DOD) и температурные диапазоны для всех разрядных и вариации конвекции с минимальным отклонением. ^[18] Srinivasan et al. Компания разработала модель для расчета тепловыделения по пяти различным внутренним параметрам: сопротивление электролита ( R _с ), сопротивление анода ( R _a ), катодное сопротивление ( R _c ) и энтропия. изменения катода (Δ S _c ) и анода (Δ S _a ). ^[22] Эти пять параметров не зависят друг от друга; они зависят от степени заряда и температуры окружающей среды. Харихаран разработал модель нелинейной эквивалентной схемы для литий-ионных элементов с использованием переменных резисторов, которые зависят от температуры элемента. Модель может использоваться для прогнозирования напряжения и температуры элемента в широком диапазоне мощностей с глобальным набором параметров. ^[6]

В электрохимико-термических моделях процесс заряда-разряда разделен на множество физических и химических процессов, например, диффузия иона лития в жидкости и твердом теле, перенос лития между жидкостью и твердым телом, поляризация на поверхности электродов и т. д.Тепло, выделяемое во время заряда-разряда, представляет собой тепловое воздействие каждого физического и химического процесса, которое обычно можно рассчитать как ^[23]

Расчет тепла, выделяемого во время заряда-разряда, на основе электрохимико-термических моделей очень сложен, поэтому он используется в теоретических исследованиях, но не часто в приложениях.

Кумаресан и др. . разработала тепловую модель литий-ионных элементов LiCoO ₂ / MCMB для прогнозирования характеристик разряда при различных температурах (15–45 ° C). ^[21] Палс и Ньюман разработали одномерную тепловую модель литиево-полимерного элемента для прогнозирования профиля температуры в Li / PEO ₁₅ -LiCF ₃ SO ₃ / TiS ₂ пакет элементов разрядка со скоростью 3 часа. ^[24] Baba et al . разработала улучшенную одночастичную модель для понимания теплового поведения литий-ионных элементов и распределения информации, связанной с локальным тепловыделением, по всей плоскости электрода, а также был разработан метод двустороннего электрохимико-термического моделирования. ^[5]

Управление нагревом / температурой является важной частью систем управления литиевыми батареями.Выделение тепла литиевыми элементами во время заряда-разряда является основой для управления теплом / температурой. Джулиано и др. показал, что система с жидкостным охлаждением является приемлемым вариантом для управления температурным режимом. ^[25] А система охлаждения может легко охладить батареи и достичь установившегося состояния значительно ниже максимальной рабочей температуры. Тонг и др. Компания разработала активную систему управления температурой, включающую принудительное жидкостное охлаждение, на основе электрохимических и тепловых характеристик биполярной батареи. ^[26] Более высокая скорость охлаждающей жидкости и толщина охлаждающей пластины помогают контролировать максимальную температуру и температурную неравномерность; однако такой подход увеличивает паразитную нагрузку, а также вес и объем упаковки.

В случае аварии химическая энергия в электродах может преобразоваться в тепловую, а не в электрическую, что может вызвать тепловой разгон литиевых элементов. ^[27] Есть несколько факторов, которые могут привести литиевые элементы к тепловому разгоне, среди которых температура литиевого элемента является одним из ключевых определяющих факторов. Исследования тепловыделения во время теплового разгона можно использовать для прогнозирования безопасности и критичности литиевых элементов / батарей.

Тепловыделение во время теплового разгона может быть измерено калориметрами, которые могут выдержать взрыв литиевых элементов, таких как ARC (рис. 2). Измерения тепловыделения во время теплового разгона могут из первых рук получить информацию о тепловом разгоне. Feng et al. оценил характеристики теплового разгона крупноформатной призматической литий-ионной батареи емкостью 25 Ач с литиевым (Ni _x Co _y Mn _z ) катодом O ₂ (NCM) с помощью калориметр с увеличенным объемом (EV-ARC).Они обнаружили, что от резкого падения напряжения до мгновенного повышения температуры, когда происходит тепловой пробой, проходит 15–40 с. ^[28] Такой интервал времени можно использовать для раннего предупреждения о тепловом разгоне.

Рис. 3.

Расчеты тепла, выделяемого в процессе теплового разгона, обычно основываются на тепловом поведении материалов в литиевом элементе. Результаты расчетов могут быть использованы для изучения происхождения и последствий теплового разгона с целью улучшения конструкции безопасности литиевых элементов.

Ричард и др. . предложена модель теплового разгона литий-ионного элемента 18650 углерод / Li _{1+ x} Mn _{2– x} O ₄ литий-ионный элемент, основанный на термической стабильности деинтеркалированного Li _{1+ x} Mn _{2– x} O ₄ и электроды MCMB с интеркалированным литием в LiPF ₆ EC: электролит DEC. ^[29] Модель была использована для прогнозирования поведения при коротком замыкании и воздействия печи на элемент. Результаты качественно согласуются с результатами экспериментов. Kim et al. расширил подход к одномерному моделированию, сформулированный Hatchard et al. ^[30] в трех измерениях. Результаты расчетов испытаний на неправильное использование в печи ячеек с катодом из оксида кобальта и графитовым анодом с электролитом LiPF ₆ показывают, что тепловой пробой произойдет раньше или позже, чем в модели с сосредоточенными параметрами, в зависимости от размера элемента, и реакции первоначально распространяются в в азимутальном и продольном направлениях, чтобы сформировать полую цилиндрическую зону реакции. ^[31] Wang et al. рассчитал тепло, выделяемое при тепловом разгоне элементов LiFePO ₄ / C, и результаты показывают, что внутреннее короткое замыкание, вызванное плавлением сепаратора, является основным фактором теплового разгона таких элементов, в которых сепаратор с более низкой температурой плавления. Однако, когда в элементе LiFePO ₄ / C используется сепаратор с более высокой температурой плавления, реакции разложения электродного материала становятся основным фактором безопасности. ^[32]

[PDF] РАССЕИВАНИЕ ТЕПЛА ПРИ РАЗРЯДЕ И ЗАРЯДКЕ В течение

Скачать ТЕПЛОРАССЫЛКА ПРИ РАЗРЯДЕ И ЗАРЯДКЕ Во время …

Назад

РАССЕЯНИЕ ТЕПЛА ПРИ РАЗРЯДЕ И ЗАРЯДКЕ Во время зарядки и разрядки аккумулятора выделяется определенное количество тепла. В целом это относительно мало и не вызывает значительного повышения температуры батареи. Однако в некоторых случаях может наблюдаться значительное краткосрочное увеличение.Фактическая термодинамика этого тепловыделения может быть довольно сложной, и в следующих двух разделах дается простой метод расчета выделяемого тепла, а также повышения температуры, которое произошло бы, если бы не было потерь тепла. На практике фактическое повышение температуры будет меньше расчетного или даже нулевым, поскольку нормальные тепловые потери из-за теплопроводности, конвекции и излучения будут легко рассеивать небольшой уровень тепла, генерируемого, когда батарея находится в устойчивом состоянии. Таким образом, единственное существенное повышение температуры происходит во время разрядки или при сильном перезаряде аккумулятора.1 Разряд Основными данными, которые следует учитывать при рассмотрении тепловыделения в Ni-Cd элементе, является потенциал нулевого рассеивания тепла. Это термодинамическое значение (V °), которое зависит от электрохимической пары Ni-Cd и имеет значение, равное 1,44 В. Во время разряда рассеиваемое тепло в элементе напрямую связано с разницей между значением V ° и разрядным напряжением. См. Рисунок ниже.

1

Начало

Назад

Мгновенное количество тепла, выделяемого в элементе во время разряда, связано с разницей напряжений, упомянутой выше, током разряда и продолжительностью.При полном разряде необходимо учитывать среднее значение разрядного напряжения, и можно использовать следующую формулу:

Qcal = 3600 (с) * C Ah * (1,44 — UV) 4,18 где Qcal — теплота рассеивается в калориях CAh — емкость разряда в Ач UV — среднее напряжение разряда в вольтах Следовательно, Qcal = 860 * CAh * (1,44 — UV)

As Uv

Теоретическое повышение температуры внутри элемента без учета внешнего охлаждения может можно получить по следующей формуле: ∆ ° K = Qкал / (м * Cp), где Q — тепло, рассеиваемое при разряде, в калориях; m — масса элемента в граммах. Cp — удельная теплоемкость элемента в кал.g-1. ° K-1 Для никель-кадмиевых промышленных элементов типичное среднее значение Cp принято равным 0,35 кал. g-1. ° K-1.

2

Дом

Назад

2 Зарядка Когда аккумулятор заряжается, энергия, вырабатываемая зарядным устройством, сохраняется в нем. Во время первой части заряда, вплоть до стадии газовыделения, тепловыделение практически отсутствует, так как во время этой фазы процесс электрохимической зарядки является эндотермическим. Таким образом, любой небольшой эффект нагрева из-за потери сопротивления маскируется охлаждающим эффектом реакции.

1,55

Напряжение элемента (В)

избыточный заряд 1,5

заряд

ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЙ 1,44 В

1,45 ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЙ 1,4

1,35

1,3 0

20

60

60 9000 100

120

Емкость% C5 (Ач)

После этапа подачи газа эффективность зарядки аккумулятора снижается и падает до нуля при достижении полностью заряженного состояния. Часть избыточной энергии, которая не используется для зарядки аккумулятора, называемая перезарядкой, используется для разложения воды с образованием газа, а остальная часть преобразуется в тепло.0,24

Ток (A)

0,2

перегрузка

0,16

заряд

0,12

0,08

0,04

0 0

20

40

80

120

Емкость% C5 (Ач)

Напряжение, при котором заряд меняется с эндотермической на экзотермическую реакцию, составляет 1,44 В на элемент (напряжение «нулевого нагрева»). Таким образом, чтобы оценить рассеиваемое тепло, разница между напряжением ячейки и 1.Используется 44 вольта на ячейку.

3

Home

Back

Таким образом, количество тепла, выделяемого в калориях на ячейку =

Qcal = -860 * Ic * (1,44 -Uc)

где, а

Ic = ток заряда в амперы Uc = напряжение заряда

В случае напряжения зарядки ниже 1,44 В на элемент, рассеивание тепла не обязательно равно нулю. Это связано с тем, что при низких уровнях напряжения и тока существует определенный уровень рекомбинации газа, и это дает эффект нагрева.В этих случаях для расчета выделяемого тепла необходимо использовать определенную долю от нулевого теплового напряжения (1,44 В). В этом случае количество выделяемого тепла в калориях на ячейку =

860 * If * (1,44 * Rv)

где, и

If = плавающий ток Rv = значение рекомбинации = обычно 0,6 для спеченного / PBE = обычно 0,3 для карманная пластина

и, как и при расчете разряда, теоретическое повышение температуры внутри ячейки без учета внешнего охлаждения может быть получено с помощью следующей формулы: ∆ ° K = Qcal / (м * Cp), где Q — тепло, рассеиваемое при разряде, в калориях; m — масса ячейки в г; Cp — удельная теплоемкость ячейки в кал.g-1. ° K-1

4

Начало

Назад

Таблица плавающих токов

Плавающий ток как функция от плавающего напряжения и типа ячейки

1,4

Плавающее напряжение 1,41

1,42

1,45

1,6

Плавающие токи в мА / Ач SBH

1,00

1,15

1,32

2,20

20

SBM

0,85

0,93

1,15

0,93

1,1580

15

SBL

0,65

0,75

0,86

1,30

12

SPH

0,40

0,50

0,65

0,70

0,65

0,704

0,65

0,704

= 1,8 * 161/1000 ампер = 0,29 ампер

5

Home

Back

Зарядка 15 часов при 16 ампер и 1.55 ограничение напряжения Первые примерно 10 часов будут эндотермическими и не будут выделять тепло. В течение последних 5 часов будет достигнут предел напряжения, и ток будет быстро падать до плавающего тока 1,55 предела напряжения. Зарядный ток = 16 ампер. Плавающий ток для 1,55 вольт (из оценки таблицы 10 мА / Ач), поэтому плавающий ток = 10 * 161/1000 = 1,6 ампера. Таким образом, для 5 часов мы примем среднее значение между зарядным током и плавающим током. ток ie (16 + 1,6) / 2 = 8.8 ампер Таким образом, во время зарядки выделяется тепло: Qcal = -860 * Ic * (1,44 -Uc) = -860 * 8,8 * (1,44 — 1,55) = 0,832 ккал, и, следовательно, повышение температуры составляет: ∆ ° K = Qcal / (м * Cp) = 0,832 / (8,4 * 0,35) = 0,3 ° C Во время плавания при 1,45 В выделяемое тепло составляет: Qcal = -860 * Ic * (1,44 -Uc) = -860 * 0,29 * (1,44 — 1,45) = 0,0025 ккал, поэтому теоретическое увеличение температуры составляет: ∆ ° K = Qкал / (м * Cp) = 0,0025 / (8,4 * 0,35) = 0,00085 ° C / час.

6

Исследование характеристик рассеивания тепла пространственной компоновкой литиевой батареи в АНПА

Для удовлетворения требований энергопотребления автономных подводных аппаратов (АНПА) источник питания обычно состоит из большого количества высокоэнергетического лития. группы батарей.Свойства рассеивания тепла литиевой батареей не только влияют на характеристики подводного аппарата, но и создают определенные риски для безопасности. Основываясь на широком применении литиевых батарей, литиевые батареи в АПА взяты в качестве примера для исследования характеристик рассеивания тепла пространственной компоновки литиевых батарей в АПА. С целью повышения безопасности литиевых батарей разработана модель процесса теплопередачи, основанная на уравнении сохранения энергии, и проанализированы характеристики рассеивания тепла батареями пространственной компоновки.Результаты показывают, что наиболее подходящее расстояние между ячейками и перекрестное расположение лучше, чем расположение последовательности с точки зрения характеристик охлаждения. Температурный градиент и изменение температуры внутри кабины со временем в первую очередь зависят от скорости навигации, но они мало связаны с температурой окружающей среды.

1. Введение

Поскольку автономные подводные аппараты (АНПА) развиваются в направлении больших расстояний и высоких скоростей, срочно требуется все больше мощности для поддержки навигации.Поскольку электрохимические реакции, происходящие в литий-ионных батареях, будут выделять тепло, батарейный отсек автономных подводных аппаратов в течение длительного времени работает на крупномасштабных интегрированных литий-ионных аккумуляторных батареях в ограниченном пространстве, и, таким образом, будут существовать проблемы с безопасностью и надежностью. В [1] тепло можно разделить на две части. С одной стороны, в аккумуляторном отсеке происходит накопление тепла, поскольку тепло от аккумуляторного блока не может рассеиваться своевременно. С другой стороны, неравномерно излучающий тепло аккумуляторный блок вызовет локальную разницу температур, что приведет к неравномерной работе батарей и, в конечном итоге, повлияет на общую производительность батарей.

В настоящее время отечественные и зарубежные ученые сосредоточили свое внимание на проблеме безопасности АПА, использующих литиевые батареи для проведения соответствующих исследований. В [2–7] проведено исследование стратегии управления тепловым балансом литиевой батареи и системы терморегулирования, рассчитанной на непостоянное влияние срока службы батареи. В [8–10] метод сопряженной теплопередачи между жидкостью и твердым телом был использован для создания математической физической модели процесса теплопроводности внутри аккумуляторной кабины АНПА применительно к проблеме охлаждения аккумуляторной батареи. Кроме того, ток разряда аккумуляторной батареи и теплопроводность аккумуляторной батареи навигационных устройств также были проанализированы в [11], в которой программа анализа методом конечных элементов ANSYS использовалась для анализа температурного поля группы литиевых аккумуляторов АПА и обсуждения влияния различного времени разрядки. и граничные условия на поле температуры батареи. В [12], анализ стационарного теплового моделирования кабины аккумуляторной батареи АНПА был выполнен в соответствии с процессом теплопередачи ключевой точки пассивного теплового контроля конструкции конструкции.Что касается тепловых аспектов аккумуляторных батарей в исследовательских работах, основное внимание уделяется области электроэнергии для транспортных средств на новой энергии. В [13] модель крупномасштабного аккумуляторного блока была создана для исследования рассеивания тепла аккумуляторным блоком; в первую очередь он был сосредоточен на области производства электроэнергии для транспортных средств на новой энергии. В [14, 15] была создана модель для прогнозирования производительности литиевых батарей для электромобилей, и влияние различных групп на производительность батареи было проанализировано в том же режиме охлаждения с 9 одноэлементными батареями в качестве батареи. пакет.Кроме того, с использованием принудительного воздушного охлаждения и материалов с фазовым переходом, охлаждающая способность автомобильного аккумуляторного блока была проанализирована на основе метода вычислительной гидродинамики в [16, 17]. Подходящая модель аккумулятора необходима для правильного проектирования и работы аккумуляторных систем с использованием BMS. Доступны несколько подходов к моделированию: эмпирические модели, статистические модели и электрические модели [18, 19]. В [20] было исследовано локальное тепловыделение в однослойном литий-ионном аккумуляторном элементе в зависимости от -скорости и состояния заряда (SOC).В [21] комбинированная модель использовалась для изучения тепловыделения и рассеивания тепла, а также их влияния на температуру аккумуляторной батареи с вентилятором и без него при разряде постоянного тока и разряде переменного тока на основе вождения электромобиля (EV). циклы.

Существующие исследования в основном сосредоточены на разработке системы контроля теплового баланса аккумуляторной батареи. Что касается исследований схемы охлаждения аккумуляторной батареи АПА, анализ проводился только для навигации в температурном поле аккумуляторного отсека, но с исследованиями структурной схемы тепловых характеристик аккумуляторной батареи мало что связано.Кроме того, по сравнению с электромобилями аккумуляторная кабина АНПА представляет собой замкнутое компактное пространство, и использование обычных методов охлаждения, таких как охлаждение холодным ветром и растворителем, ограничено. Теплопроводность аккумуляторной батареи может быть достигнута только через корпус аккумуляторной батареи и морскую воду, и физические проблемы связаны с тем, как реализовать охлаждение аккумуляторной батареи с помощью воздушного потока, вызванного локальными колебаниями температуры внутри аккумуляторной кабины и конструкции теплопроводности.

Основной вклад этой статьи двоякий: (i) мы анализируем процесс теплообмена аккумуляторной батареи транспортного средства и устанавливаем модель естественной конвекции и теплопередачи для ограниченного пространства аккумуляторного отсека и (ii) мы исследуем тепло передаточные характеристики литиевых батарей в различных пространственных распределениях.

2. Моделирование литиевого аккумуляторного отсека АПА с внешним охлаждением

В соответствии с внутренней структурой аккумуляторного отсека АПА и теоретическими знаниями в области теплопередачи, тепло, передаваемое от аккумулятора к внешней морской воде, можно суммировать следующим образом: аспекты теплопроводности. Первая часть теплопроводности включает тепло, выделяемое аккумуляторной батареей, и процесс теплообмена между аккумуляторной кабиной и стенкой корпуса. Вторая часть процесса теплопроводности происходит между стенкой корпуса кабины и внешней стенкой корпуса.Наконец, третья часть теплопроводности — это теплообмен батареи между внешней стенкой корпуса кабины и морской водой. Процедура показана на рисунке 1.

Чтобы облегчить анализ распределения температуры в аккумуляторной кабине при различных рабочих условиях, процесс теплопередачи в аккумуляторной кабине был предложен и упрощен следующим образом: (1) Концы аккумуляторная кабина и внутренний аккумуляторный блок изолированы. (2) Распределение температуры внутри аккумуляторной кабины и аккумуляторного блока изменяется только в радиальном направлении и остается практически неизменным в осевом направлении.(3) При работе аккумуляторной кабины тепловые параметры не меняются со временем.

На основании приведенного выше анализа модель рассеивания тепла ограниченного пространства аккумуляторной кабины эквивалентна задачам постоянных свойств, внутреннего источника тепла и трехмерной нестационарной теплопередачи.

2.1. Батарея внутри модуля Анализ тепла

Внутренний процесс теплопередачи в литиевой батарее можно упростить до обычного физического, трехмерного нестационарного процесса теплопередачи внутри источника тепла.По этой причине уравнение энергии внутренней литий / тионилхлоридной батареи может быть выражено как Граничные условия: где — скорость тепловыделения всей батареи (), — это теплопроводность батареи (Вт / (м · k)), — плотность батареи (), это число Био, это удельная теплоемкость батареи (Дж / (кг · К)), и это диаметр батареи.

Когда число Био батареи меньше 0,1 в условиях естественной конвекции, внутренняя температура батареи может считаться приблизительно равномерно распределенной.Согласно гипотезе Бернарди, скорость тепловыделения в одной батарее постоянна, что приблизительно можно выразить следующим образом: где — объем отдельной батареи (), — напряжение холостого хода батареи (), — разряд напряжение батареи, — внутреннее сопротивление батареи (), — радиус батареи (), — это ток отдельной батареи.

Тепловая конвекция отдельных ячеек происходит в основном за счет конвекции воздуха и лучистого теплопереноса в соответствии с уравнением идеального газа: плотность воздуха

Как показано в приведенном выше уравнении, изменение температуры может вызвать изменение плотности воздуха в аккумуляторная кабина, а естественная конвекция формируется под действием силы тяжести.Без учета влияния объемной силы и силы вязкости уравнение сохранения количества движения воздуха в аккумуляторной кабине можно выразить следующим образом: где — кинематическая вязкость воздуха (Па · с), — ускорение свободного падения (9,8 м /), — молярная масса воздуха, — давление воздуха (), — температура воздуха ().

Интегральное уравнение сохранения энергии в форме уравнения работы аккумуляторной батареи кабины можно выразить следующим образом: где — общее количество тепла, выделяемого аккумуляторным блоком (), — тепло, рассеиваемое из аккумуляторной кабины наружу ( ), и — тепло, поглощаемое аккумуляторной кабиной ().

Теплообмен между аккумулятором и стеной автомобиля происходит в основном за счет естественной конвекции воздуха, а тепло, выделяемое аккумуляторной частью, рассеивается в окружающую среду через кожух. Другая часть тепла поглощается корпусом транспортного средства, что вызывает повышение температуры аккумуляторной кабины. Целью данного исследования является увеличение и уменьшение доли, тем самым снижая температуру аккумуляторного модуля: Граничные условия: где — площадь теплообмена внутренней стенки автомобиля (), — объем воздуха. внутри аккумуляторной кабины (), — плотность воздуха (), — удельная теплоемкость воздуха (Дж / (кг · К)), — теплопроводность корпуса транспортного средства (Вт / (м · К)), является коэффициент конвективной теплопередачи воздуха в аккумуляторной кабине (Вт / (м ² · k)), это температура морской воды (° C) и начальная температура в аккумуляторном отсеке (° C).

2.2. Теплообмен между внутренней и внешней стенками аккумуляторной кабины

Теплообмен от внутренней стены к внешней стене аккумуляторной кабины можно рассматривать как теплопроводность цилиндрической стены, которую можно выразить следующим образом: где — общая тепло через переборку и водообмен (), — площадь теплопередачи внутренней стенки (), — эквивалентная теплопроводность стенки батареи (Вт / (м · k)), — температура внутренней части батареи стена (° C).

2.3. Теплообмен между внешней стенкой корпуса транспортного средства и морской водой

Во время движения под водой между внешней стенкой аккумуляторной кабины и морской водой происходит принудительный конвекционный теплоперенос, который можно выразить следующим образом: где происходит теплообмен между аккумуляторной кабиной и морская вода (), — площадь теплопередачи внутренней стенки (), — внешний диаметр корпуса транспортного средства (), — температура внешней стенки (° C), — температура морской воды (° C), — коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней стеной и морской водой (Вт / (м ² · K)).

Коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней стенкой и морской водой связан со скоростью движения, которую можно определить с помощью числа Рейнольдса и числа Нуссельта конвективной теплопередачи между внешней стенкой и морской водой: без учета потока морской воды, где — теплопроводность морской воды (Вт / (м · К)), — число Нуссельта конвективной теплопередачи между корпусом транспортного средства и морской водой, Re — число Рейнольдса конвективной теплопередачи между корпусом транспортного средства и морской водой, Pr — Число Прандтля морской воды, — кинематическая вязкость морской воды (), — относительная скорость () между морской водой и транспортным средством, — это барицентрическая скорость транспортного средства (), и — характерная длина аккумуляторной кабины ().

3. Анализ влияния пространства и расположения на характеристики рассеивания тепла аккумуляторным блоком

На основе литий-ионного аккумуляторного блока для внешней тепловой модели подводного пространства и поскольку аккумуляторный отсек АПА представляет собой закрытое и компактное пространство, расстояние между батареями и комбинированные типы для распределения температурного градиента внутри батарейного отсека имеют большое значение. В этой статье в качестве примера для анализа ячеек с разным пространством и различными перестановками выбрана обмоточная литий / тионилхлоридная батарея с названием 18650.Числовые параметры, относящиеся к одной батарее 18650, показаны в таблице 1.

Параметр Значение Диаметр [м] 0,012 0 9306 Длина [м] 0,065 Масса [кг] 0,048 Внутреннее сопротивление [] 0,03–0,06 Плотность [кг · м −3 6 2900 913 Удельная теплоемкость [Дж · кг −1 · K −1 ] 1000 Эквивалентная теплопроводность [Вт · м −1 · K −1 ] 3 Номинальное напряжение [В] 3.6 Номинальная емкость [А · ч] 2,5

3.

1. Влияние расстояния между батареями на температурное поле батарейного блока

Область описывается с помощью треугольных элементов, общее количество которых составляет приблизительно 20 000. Сетки, наиболее близкие к профилям батарей, были уточнены треугольными граничными элементами для описания граничного потока с достаточной точностью. Расстояние между двумя соседними ячейками одинаковое, а расстояние между границей и батареями остается постоянным.Расстояния между батареями постоянно меняются в зависимости от формы и постоянного количества батарей.

Используя 5 одиночных батареек 18650 в качестве объектов, исследуется пространство между батареями (). Температура аккумуляторного отсека определяется, когда значения равны,,,,,,,,, и (где — диаметр аккумулятора). Распределение температуры показано на рисунке 2.

В таблице 2 представлены разницы температур внутри аккумуляторного отсека, когда батареи расположены на разном расстоянии между элементами.Различия в разнице температур в аккумуляторном отсеке при различных расстояниях между элементами показаны на рисунке 3.

9 Расстояние между элементами (м) Значение разности температур (° C) 0,68 0,63 0,59 0.56 0,53 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47

расстояние между батареями увеличивается по мере увеличения расстояния между внутренними батареями, как показано в таблице 2 и на Рисунке 3 температурный градиент постепенно уменьшается. Изменение температуры внутри батарейного отсека стабильное, и при увеличении расстояния между батареями температура снижается на 0,01 ° C, от.Следовательно, оптимальное расстояние между батареями.

3.2. Влияние расположения батарей на температурное поле батарейного блока

Исходя из предположения о наиболее подходящем расстоянии () до батареи внутри модели, 15 отдельных батарей 18650 разделены на три части как объекты, каждая из которых состоит из 5 батарей и расстояние между батареями. В этой статье мы исследуем влияние последовательного расположения и перекрестного расположения батарей на температурное поле аккумуляторной батареи.Первый ряд и третий ряд батарейного блока перемещаются влево на, а второй ряд перемещается вправо на. Распределение температурного поля в аккумуляторной батарее показано на рисунке 4.

(a) Последовательное расположение
(b) Поперечное расположение
(a) Последовательное расположение
(b) Поперечное расположение

Рис. показывает, что разница температур между аккумуляторными блоками составляет 1,19 ° C при последовательном расположении и что разница температур между аккумуляторными блоками составляет 1.06 ° C при перекрестном расположении. Сравнение двух наборов данных показывает, что перекрестное расположение лучше, чем последовательное, с точки зрения температурного градиента.

4. Анализ теплового моделирования пространственной компоновки аккумуляторной батареи подводного аппарата

На основе предыдущего обсуждения возьмите батареи, расположенные крест-накрест. Дополнительно выберите расстояние между батареями как; команда проекта разработала литиевый аккумулятор для АПА определенного типа для исследования (рис. 5).Изучается пространственная структура и компоновка его батареи. Более того, моделирование распределения температуры в аккумуляторном отсеке АПА при различных скоростях и различной температуре моря выполняется для исследования влияния скорости транспортного средства и температуры воды на распределение температуры в салоне.

4.1. Схема пространственной структуры аккумуляторной батареи подводного аппарата

Некоторые технические характеристики силовой передачи подводного аппарата показаны в таблице 3.Согласно энергетическим оценкам, для аккумуляторной батареи требуется не менее 189 батарей при использовании 18650 литий / тионилхлоридных батарей.

5 Параметр Значение Скорость 4 кН Мощность 906 180 Вт Рабочее напряжение 21 В ~ 30 В

Формула для расчета количества батарей выглядит следующим образом: где — количество необходимых батарей, — полет (), — мощность АПА (), — скорость АПА (), — номинальное напряжение батареи 18650 (), — номинальная емкость батареи 18650 ().

Батарейный блок объединяет 189 батарей в 7 последовательных групп, каждая из которых включает 27 параллельных батарей. Аккумуляторный блок был установлен в аккумуляторной кабине диаметром 200 мм, чтобы обеспечить рабочее напряжение от 21 до 30 В. См. Рисунок 6 для конструкции.

4.2. Анализ теплового моделирования литиевой батареи AUV

Согласно предположениям анализа, модель рассеивания тепла в ограниченном пространстве аккумуляторной кабины эквивалентна задачам постоянных свойств, внутреннего источника тепла и двумерной нестационарной теплопередачи.Поперечное сечение аккумуляторной кабины было принято в качестве расчетной области, и программа предварительной обработки ANSYS была использована для построения модели анализа методом конечных элементов путем выбора типа ячейки, определения параметров материала, геометрического моделирования и генерации ячеек.

Домен описывается треугольными элементами, их общее количество составляет примерно 72 000. Общее количество узлов составляет примерно 7300, и некоторые сетки, наиболее близкие к профилям батарей и навигационной оболочки, были дополнены треугольными граничными элементами для описания граничного потока с достаточной точностью.Сетка модели была разделена, как показано на рисунке 7.

4.2.1. Влияние скорости плавания на температуру внутри аккумуляторного отсека, изменяющуюся во времени

Аккумуляторы для подводных кают имеют разную температуру нагрева в единицу времени при плавании с разной скоростью. После анализа направление, в котором транспортное средство испытывает сопротивление (направление скорости центра тяжести), противоположно направлению навигации. А именно, линия скорости находится в направлении, противоположном оси.Безразмерные коэффициенты могут быть выражены как мощность транспортного средства можно выразить следующим образом: где — сопротивление транспортному средству, — коэффициент сопротивления, — плотность морской воды, — это максимальная площадь поперечного сечения транспортного средства.

Следовательно, ток через отдельную батарею равен выходной мощности отдельной батареи () и ее номинальному напряжению (). это общее количество ячеек батареи в теле.

Видно, что выработка тепла отдельной батареей связана со скоростью транспортного средства.Выберите скорость автомобиля 4 узла, 5 узлов и 6 узлов. Рабочие параметры батарей при разных скоростях показаны в Таблице 4.

Скорость / кН Ток одной батареи / А Коэффициент поверхностной теплопередачи (Вт / (м 2 ) · K)) Тепловая мощность (Вт / м 3 ) 4 0,27 1564 172 5 0.52 2854 655 6 0,90 4094 1958

после разряда батарей анализ показывает, что после разряда батарей в течение 10 часов аккумуляторная кабина выглядит так, как показано на рисунке 4, когда температура морской воды составляет 15 ° C, а скорость плавания составляет 4 узла, 5 узлов и 6 узлов. Более того, кривая изменения максимальной температуры во времени представлена ​​на рисунке 8.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека с течением времени показана на Рисунке 9.

Как показано на Рисунках 8 и 9, температура морской воды составляет 15 ° C, а температура разряда время 10 ч. При скорости 4 узла разница температур составляет 1,58 ° C; при скорости 5 узлов разница температур 4,60 ° C; а при скорости 6 узлов разница температур составляет 10,96 ° C.

Следовательно, по мере увеличения скорости автомобиля максимальная температура внутри аккумуляторного отсека увеличивается, и соответственно увеличивается разница температур.Причины этого явления резюмируются следующим образом: по мере увеличения скорости подводного аппарата скорость выделения тепла увеличивается, и в единицу времени выделяется больше тепла. Поскольку коэффициент поверхностной теплопередачи невелик, тепловыделение батареи в единицу времени меньше, чем теплораспределение кожуха в единицу времени, что приводит к увеличению концентрации тепла и максимальной температуре. Кроме того, минимальной температурой всегда является температура окружающей среды, которая остается неизменной, а температура аккумуляторного отсека увеличивается с увеличением скорости автомобиля.

4.2.2. Влияние различных температур окружающей среды на температуру внутри кабины батареи в зависимости от времени

Для точности выберите навигационные скорости 4 узла, 5 узлов и 6 узлов, чтобы изучить влияние температуры морской воды на распределение температуры внутри кабины аккумуляторной батареи, когда температура воды составляет 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C соответственно.

После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что, когда крейсерская скорость транспортного средства составляет 4 узла, температуры морской воды составляют 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C, и показано распределение температуры аккумуляторного отсека. на рисунке 10.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 11. Как показано на рисунках 10 и 11, после того, как подводный аппарат плывет со скоростью 4 узла и непрерывно работает в течение 10 часов, разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 1,57 ° C при температуре воды 10 ° C; разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 1,58 ° C при температуре воды 15 ° C; а внутренняя разница температур в батарейном отсеке равна 1.59 ° C при температуре воды 20 ° C.

После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что, когда крейсерская скорость транспортного средства составляет 5 узлов, температура морской воды составляет 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C, а также распределение температуры аккумуляторного отсека. показано на рисунке 12.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 13. Как показано на рисунках 12 и 13, после того, как подводный аппарат плывет со скоростью 5 узлов и непрерывно работает 10 ч, разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 4. 55 ° C при температуре воды 10 ° C; разность внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 4,60 ° C при температуре воды 15 ° C; а внутренняя разница температур в аккумуляторном отсеке составляет 4,65 ° C при температуре воды 20 ° C.

После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что, когда крейсерская скорость транспортного средства составляет 6 узлов, температура морской воды составляет 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C, а также распределение температуры аккумуляторного отсека. показан на рисунке 14.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов максимальная температура внутри аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 15. Как показано на рисунках 14 и 15, после того, как подводный аппарат плывет со скоростью 6 узлов и непрерывно работает в течение 10 часов. разность внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 10,84 ° C при температуре воды 10 ° C; разность внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 10,96 ° C при температуре воды 15 ° C; а внутренняя разница температур в аккумуляторном отсеке составляет 11. 07 ° C при температуре воды 20 ° C.

Подводя итог, можно сказать, что температура воды практически не влияет на разницу температур внутри аккумуляторных отсеков. Причины этого явления резюмируются следующим образом: скорость тепловыделения батареями в единицу времени и коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней стенкой транспортного средства и морской водой не изменяются и почти равны при постоянной скорости движения. Когда температура морской воды увеличивается, общая температура в аккумуляторной кабине увеличивается, но разница температур в основном не меняется.

5. Заключение

В этой статье, используя теоретический анализ в сочетании с реальной ситуацией и программой конечных элементов ANSYS, мы устанавливаем объем литиевых батарей для подводной тепловой модели. Затем мы изучаем пространственное расположение тепловых характеристик и делаем следующие выводы: (1) существует корреляция между температурой подводного батарейного отсека и расстоянием между батареями. По мере увеличения расстояния между батареями градиент температуры постепенно изменяется, и когда он достигает определенного порога, градиент постепенно стабилизируется.(2) Различные варианты и комбинации батарей влияют на температурный градиент. Поперечное расположение лучше последовательного с точки зрения градиента температуры. (3) Скорость движения влияет на изменение градиента температуры и максимальной температуры внутри аккумуляторной кабины с течением времени. Чем выше скорость и ток разряда батареи, тем больше тепла выделяют батареи. Затем температура увеличивается быстрее, и для достижения устойчивого состояния требуется меньше времени.(4) Повышение температуры морской воды может вызвать общее повышение температуры в аккумуляторной кабине. Однако это почти не влияет на температурный градиент и однородность.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC) в рамках гранта 51509205 и Китайским фондом естественных наук провинции Шэньси 2015JQ5136.

Тестирование коэффициента энтропийного нагрева батареи и использование в моделировании потерь на уровне элементов для сверхбыстрой зарядки

Образец цитирования: Lempert, J., Kollmeyer, P., Malysz, P., Gross, O. et al., «Тестирование энтропийного коэффициента нагрева батареи и использование в моделировании потерь на уровне клеток для экстремально быстрой зарядки», SAE Int. . J. Adv. & Curr. Практика in Mobility 2 (5): 2712-2720, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-01-0862.
Загрузить Citation

Автор (ы): Джереми Лемперт, Филипп Коллмейер, Павел Малиш, Оливер Гросс, Джеймс Коттон, Али Эмади

Филиал: Центр автомобильных ресурсов Макмастера, FCA US LLC, Университет Макмастера

Страниц: 9

Событие: Опыт Всемирного конгресса WCX SAE

ISSN: 2641-9637

e-ISSN: 2641-9645

Также в: Международный журнал достижений и текущей практики в области мобильности SAE-V129-99EJ

Без названия

% PDF-1. 4 % 1 0 obj > / Тип / Каталог >> endobj 2 0 obj > поток 2014-03-14T04: 15: 52-04: 002014-03-14T04: 15: 52-04: 002014-03-14T04: 15: 52-04: 00Appligent AppendPDF Pro 5.1uuid: f1ab1481-9cac-11b2-0a00- 710000800400uuid: f1ab2755-9cac-11b2-0a00-b0fbf7f9ff7fapplication / pdf

без названия

Acrobat Distiller 7.0 (Windows) AppendPDF Pro 5.1 Linux Kernel 2.6 64bit 18 февраля 2010 Библиотека 9.0.1 конечный поток endobj 5 0 obj > endobj 3 0 obj > endobj 6 0 obj > поток Q конечный поток endobj 7 0 объект > поток q конечный поток endobj 8 0 объект > endobj 9 0 объект > endobj 10 0 obj > endobj 11 0 объект > endobj 12 0 объект > endobj 13 0 объект > endobj 14 0 объект > endobj 15 0 объект > endobj 16 0 объект > endobj 17 0 объект > endobj 63 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageB / ImageI] / Properties> / XObject >>> endobj 64 0 объект > поток 8; Z \ 7Mj0WMMCEa6M [uX1 «,! U / p% / (] b’H + # eL ‘.