Eine Batterie luftgekühlte Wärmeableitung

Lithium-Ionen-Batterien haben sich aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften zu einem der Hauptbatterietypen für Energiespeicherbatteriefächer entwickelt.Lithium-Ionen-Akkus erzeugen jedoch während des Ladens und Entladens kontinuierlich Wärme.Gleichzeitig sammelt sich aufgrund der Begrenzung des Batteriefachs die von der Lithium-Ionen-Batterie erzeugte Wärme weiterhin im Batteriefach und kann nicht rechtzeitig an die Außenumgebung abgegeben werden.Infolgedessen steigt die Innentemperatur des Batteriefachs weiter an, was das Risiko eines thermischen Durchgehens verursacht und Sicherheitsrisiken für das Batteriefach mit sich bringt.Die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Energiespeicher-Batteriefächern waren schon immer die Hauptthemen, die ihre Entwicklung beeinflussten.Der Schlüssel zur nachhaltigen Entwicklung von Energiespeicherbatteriefächern liegt in der Lösung des Wärmeableitungsproblems des Batteriefachs.

Das herkömmliche Batteriefach-Wärmeableitungssystem ist einfach und die Temperaturverteilung im Batteriefach ist ungleichmäßig.Ein Langzeitbetrieb führt zu einer schlechten Konsistenz zwischen den Batteriemodulen, was die Lebensdauer der Batteriemodule ernsthaft beeinträchtigt.

Wir verwenden SolidWorks und Ansys, um das Problem der schlechten Luftkühlung und Wärmeableitung im Batteriefach zu lösen.

Durch die numerische Simulation des Temperaturfeldes des Batteriefachs werden die Erwärmungseigenschaften des Batteriemoduls untersucht.Basierend auf relevanten Theorien und Formeln wird ein optimales Designschema für das luftgekühlte Wärmeableitungssystem des Batteriefachs vorgeschlagen.Das gewählte Modell zur Berechnung der Batteriewärmeerzeugung ist wie folgt.

ρ - die durchschnittliche Dichte des Batteriemoduls;Cp - die spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls;T - die Kelvin-Temperatur der Batterie;t - Zeit;kx, ky, kz – die Wärmeleitung der Batterie entlang der x-Achse, y-Achse und z-Achse;q - Wärmeerzeugungsrate pro Volumeneinheit des Batteriemoduls

Für die numerische Berechnung der Einheitsvolumen-Wärmeerzeugungsrate q des Batteriemoduls wird hauptsächlich das Bernardi-Modell verwendet, und seine Berechnungsformel ist wie folgt.

Vb - das Volumen des Batteriemoduls;I - der Nennstrom während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie;U , U0 - die Nennspannung und die Leerlaufspannung des Batteriemoduls;dU0 /dT ist eine Konstante unter einer bestimmten Lade- und Entladerate, die den Temperaturkoeffizienten angibt

Zur Berechnung der spezifischen Wärmekapazität Cp des Batteriemoduls gibt es hauptsächlich zwei Methoden.Die experimentelle Methode besteht darin, das Batteriemodul direkt mit einem Kalorimeter zu vermessen.Die theoretische Methode besteht darin, die spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls durch numerische Berechnung zu erhalten.Die Berechnungsformel lautet wie folgt.

m - die Masse des Batteriemoduls;mi - die Masse des im Batteriemodul enthaltenen Materials i;Ci - die spezifische Wärmekapazität des im Batteriemodul enthaltenen Materials i;n - die verschiedenen Arten von Materialien im Batteriemodul

Die spezifische Wärmekapazität der verwendeten Lithium-Eisenphosphat-Einzelbatterie beträgt laut Messung 1329 J/(kg·K).Durch experimentelle Messung und Formelberechnung beträgt die Wärmeerzeugungsrate des in diesem Dokument verwendeten Lithium-Eisenphosphat-Batteriemoduls 13 757,2 W/m3 beim Laden mit 1 C.

Es gibt drei Hauptarten der Wärmeübertragung zwischen Objekten, Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.Während des Wärmeübertragungsprozesses der Batterie findet eine Wärmeleitung hauptsächlich innerhalb der Batterie und eine Wärmekonvektion hauptsächlich an der Kontaktfläche zwischen dem Batteriemodul und der Luft statt.

Die Wärmeleitung innerhalb der Batterie wird durch interne Materialien geleitet, einschließlich Stromkollektoren, Elektrodenmaterialien, Separatoren und Elektrolyten.Die Wärmeleitung innerhalb der Batterie erfolgt hauptsächlich durch Feststoffe, sodass die Wärmeleitung im Elektrolyten vernachlässigt werden kann und die Energiegleichung der Batteriewärmeleitung wie folgt ausgedrückt werden kann.

∇2 T - Laplace-Operator der Übertragung der Batterietemperatur ins All;λ - Wärmeleitfähigkeit der Batterie;Q - Wärmeerzeugungsrate der internen Wärmeleitung der Batterie

Die Wärmekonvektion der Batterie wird hauptsächlich durch den Kontakt zwischen der Oberfläche des Batteriemoduls und der Luft realisiert.Die Wärmekonvektion zwischen der Batterieoberfläche und der Außenwelt kann wie folgt unter Verwendung des Newtonschen Abkühlungsgesetzes ausgedrückt werden.

h - konvektiver Wärmeübergangskoeffizient verschiedener Materialien unter natürlichen Bedingungen;Registerkarte - Umgebungstemperatur

Der Wärmeaustausch in der luftgekühlten Wärmeabfuhr des Batteriefachs findet hauptsächlich an der Kontaktfläche zwischen Batteriemodul und Luft statt.Um die luftgekühlte Wärmeableitung des Batteriefachs zu untersuchen, ist es notwendig, ein Fluid-Festkörper-Kopplungsmodell für das Batteriefach zu erstellen, um die Wärmeübertragungsbeziehung zwischen der Oberfläche des Batteriemoduls und der Luft zu analysieren.

u - Flüssigkeitsfeldgeschwindigkeit;k - Wärmeleitfähigkeit der Batterie

Gemäß dem Wärmeübertragungsausdruck der Fluid-Feststoff-Kopplung ist es bequemer, das k-Epsilon-Modell für die Simulationsrechnung zu wählen.

Das Modell wird entsprechend dem Anteil des eigentlichen Energiespeicherfachs erstellt und das Grundmodell des Batteriefachs wird mit SolidWorks erstellt, mit einer Länge von 12 m, einer Breite von 2,4 m und einer Höhe von 2,8 m.Insgesamt 12 Batteriecluster sind im Batteriefach platziert, wobei 6 Gruppen auf jeder Seite platziert sind und jeder Batteriecluster aus 15 Batteriemodulen besteht.Das tatsächliche Aussehen des Lithium-Ionen-Batteriefachs und die innere Struktur des Modells sind in Abbildung 1 dargestellt.

Um den Wärmeableitungseffekt des verbesserten Batteriefachs zu optimieren, wird oben auf dem Batteriefach ein Deflektor hinzugefügt, und die Breite des Deflektors beträgt 500 mm.Es gibt zwei unterschiedliche Optimierungsmethoden zum Hinzufügen eines einzelnen Deflektors und zum Hinzufügen eines doppelten Deflektors zum Batteriefach während des Entwurfs.Das Layout von zwei verschiedenen Batteriefachmodellen mit hinzugefügten Deflektoren ist in Abbildung 2 dargestellt.

Der innere Aufbau des Batteriemoduls ist komplex, ebenso seine Materialverteilung in verschiedene Richtungen und die Wärmeleitfähigkeit Sind anders.Tabelle 1 zeigt die thermischen Kennparameter des Lithium-Eisenphosphat-Batteriemodulgehäuses und die x-Achsen-, y-Achsen- und z-Achsenrichtungen.

Durch die Berechnung der Oberfläche des Batteriemoduls ergibt sich die Wärmeabgabefläche der Batterie zu 178,85 m2.Durch die Anordnung des Lösers im Batteriefach als Fluid-Feststoff-Kopplungsfeld können die konvektiven Wärmeübertragungsbedingungen direkt genutzt werden.

Die Einstellung der Randbedingungen des Simulationsmodells umfasst hauptsächlich Temperatur, Geschwindigkeit und Druck.Die Einlassrandbedingung ist die Einlassgeschwindigkeit, die Windgeschwindigkeit beträgt 4 m/s und die Einlasslufttemperatur wird so eingestellt, dass sie mit der Umgebungstemperatur übereinstimmt, die 25 °C beträgt. UWenn Sie das Fluent-Modul zum Simulieren und Berechnen verwenden, kann das Wärmeableitungs-Oberflächentemperatur-Wolkendiagramm des grundlegenden Batteriefachmodells erhalten werden, wie in Abbildung 3 gezeigt.

In Figur 3, Der Hochtemperaturbereich im Batteriefach konzentriert sich auf die Mitte des Batteriefachs und die Temperaturverteilung ist sehr ungleichmäßig.Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach beträgt 46,3 °C und die Differenz zwischen hoher und niedriger Temperatur im Bereich des Batterieclusters beträgt 26,5 °C.Die Temperatur im mittleren Bereich des Batteriefachs ist mit bis zu 57,15 °C am höchsten.Der Die niedrigste Temperatur beträgt 27,5 ℃ in der Nähe der Oberseite und des Eingangs des Batteriefachs.Die Temperaturänderungskurve der Durchschnittstemperatur des Batterieclusterbereichs entlang der Lufteinlassrichtung ist in Bild 4 dargestellt.

In der Mitte zeigt sich mit 56,2 °C die höchste Durchschnittstemperatur des Batterieclusterbereichs.Der niedrigste Wert zeigt sich am Rand des Batteriefachs mit 39,91 °C.Das Strömungsfeld am Rand des Batteriefachs ist schneller für einen besseren Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul.Der Strömungsfeldeffekt im mittleren Bereich des Batteriefachs ist schwach und kann keinen guten Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul eingehen.Diese Ansicht kann auch verifiziert werden, indem das Stromliniendiagramm des Strömungsfelds kombiniert wird, wie in Abbildung 5 gezeigt.

In Abbildung 5, Die Luftgeschwindigkeit im oberen Teil des Batteriefachs ist groß und beträgt 3,2 m/s.Der Großteil der Luft strömt direkt aus dem Auslass und nur ein kleiner Teil der Luft treibt die Luft in der unteren Hälfte des Batteriefachs zu einer Zirkulation an.Die Luftgeschwindigkeit im mittleren Teil des Batteriefachs beträgt 0,8 m/s.Viel Luft führt keinen ausreichenden Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul durch, was zu einer Ressourcenverschwendung führt und das Batteriefach keine gute Wärmeableitungswirkung erzielen kann.

Um eine bessere Wärmeableitung des Batteriefachs zu erreichen, kann die Intensität des Wärmeaustauschs zwischen dem Batteriemodul und der Luft erhöht werden.Durch eine rationelle Anordnung der Deflektoren wird das Strömungsfeld im Batteriefach verändert, um es gleichmäßiger zu verteilen, so dass die Luft und das Batteriemodul vollständiger kontaktiert werden können.

Normalerweise befinden sich der Lufteinlass und -auslass des Batteriefachs in der Nähe der Oberseite des Oberteils.Zu diesem Zeitpunkt zirkuliert der Luftstrom nur über dem Batteriefach, was die Kühlwirkung der im unteren Teil des Batteriefachs befindlichen Module unbefriedigend macht.Die Temperatur der Kühlfläche des Batteriefachmodells nach Hinzufügen eines einzelnen Deflektors ist in Abbildung 6 dargestellt.

In Abbildung 6, Wenn der Deflektor in der Nähe des Lufteinlasses des Batteriefachs hinzugefügt wird, ändert sich die Temperaturverteilung im Batteriefach stark.Der Hochtemperaturbereich ist kleiner und gleichmäßiger verteilt.Sowohl die Maximaltemperatur als auch die Durchschnittstemperatur im Batteriefach sinken.Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach beträgt 43,4 °C, die Temperaturdifferenz zwischen den Bereichen des Batterieclusters beträgt 24,1 °C.Lediglich in der hinteren Hälfte des Akkufachs trat mit 52,65 °C die höchste Temperatur auf.Die niedrigste Temperatur tritt in der Nähe des Einlasses und des Deflektors auf, die 26,85 ℃ beträgt.Die Temperaturänderungskurve der Durchschnittstemperatur des Batterieclusterbereichs entlang der Lufteinlassrichtung ist in Abbildung 7 dargestellt.

In Abbildung 7, die gesamte Temperaturkurve zeigt eine Buckelform.Die höchste Temperatur im ersten Peakbereich beträgt 43,41℃.Dieser Teil ist der Bereich vor dem Deflektor und die Luft wurde durch den Deflektor nicht verändert, daher ist die Durchschnittstemperatur etwas höher als in anderen Bereichen.Die höchste Temperatur im zweiten Peakbereich beträgt 50,13°C.Dieser Teil ist die zweite Hälfte des Batteriefachs.Die niedrigste Temperatur im Bereich des Batterieclusters tritt im Tal auf, sie beträgt 29,04 °C.Dieser Teil ist der Bereich, in dem die Luft direkt gekühlt wird, nachdem der Deflektor die Windrichtung geändert hat. AAußerdem kann das Batteriemodul einen besseren Wärmeaustausch mit der Luft mit niedrigerer Temperatur durchführen.

Wenn die Luft vom Einlass in das Batteriefach eintritt, wird der Strömungskanal durch den Deflektor blockiert. TDie Strömungsrichtung der Luft wird künstlich geändert, sodass sie für einen ausreichenderen Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul in die untere Hälfte des Batteriefachs strömen muss.Auch das Liniendiagramm kann diese Sichtweise verifizieren.TDie Strömungsfeldgeschwindigkeit ist in Abbur 8 .

In Bild 8, es wird durch den Deflektor blockiert und die Strömungsrichtung ändert sich nach unten.Zu diesem Zeitpunkt ist die Strömungsgeschwindigkeit der durch das Batteriemodul strömenden Luft mit 2,8 m/s schneller, wodurch Wärme vollständiger mit dem Batteriemodul ausgetauscht werden kann.Die zweite Hälfte des Batteriefachs bildet jedoch immer noch einen Wirbel und die Temperatur in einigen Bereichen ist zu hoch.

Um die Situation zu lösen, dass die Temperatur in einigen Bereichen in der zweiten Hälfte des Batteriefachs immer noch zu hoch ist, wird ein zusätzlicher einzelner Deflektor in der Nähe des Luftauslasses des Batteriefachs hinzugefügt, um ein gleichmäßiges Strömungsfeld zu erreichen.Das Temperaturwolkendiagramm der Kühlfläche des Batteriefachmodells nach Hinzufügen von Doppeldeflektoren ist in Abbildung 9 dargestellt.

In Abbildung 9, Wenn ein Deflektor in der Nähe des Luftauslasses des Batteriefachs hinzugefügt wird, ändern sich die maximale Temperatur und die Durchschnittstemperatur des Batteriefachs erheblich.Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach beträgt 40,8 °C, die Temperaturdifferenz zwischen den Bereichen des Batterieclusters beträgt 21,7 °C.Die höchste Temperatur zeigte sich weiterhin in der hinteren Hälfte des Akkufachs, allerdings sank die Temperatur deutlich auf 47,55 °C.Die niedrigste Temperatur tritt in der Nähe des Einlasses und des Deflektors auf, die 26,85 ℃ beträgt.Die Temperaturänderungskurve der Durchschnittstemperatur des Batterieclusterbereichs entlang der Lufteinlassrichtung ist in Abbildung 10 dargestellt.

In Abbildung 10, die Gesamttemperaturkurve ähnelt dem Fall eines einzelnen Deflektors und zeigt zwei Spitzenbereiche und einen Talbereich.Die niedrigste Temperatur im Bereich des Batterieclusters tritt im Trog auf, sie beträgt 29,05 ℃.Die höchste Temperatur im ersten Peakbereich beträgt 40,65 °C und ist damit niedriger als bei nur einem einzelnen Deflektor.Die höchste Temperatur im zweiten Peakbereich liegt bei 46,05℃ und die Temperatur ist deutlich gesunken.Dies zeigt, dass eine Erhöhung des Deflektors in der Nähe des Luftauslasses dazu beiträgt, die Temperatur im Batteriefach und den Temperaturunterschied zu reduzieren.

Da das Hinzufügen von doppelten Deflektoren das Strömungsfeld im Batteriefach komplizierter macht, wird der Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Batteriemodul verbessert und die Durchschnittstemperatur im Batteriefach im Vergleich zu einem einzelnen weiter reduziert Planke.Die Geschwindigkeit des Strömungsfeldes ist in Fi dargestelltAbbildung 11.

In Abbildung 11, Wenn die Luft hinter dem Batteriefach zirkuliert, wird sie durch den Deflektor blockiert.Das Strömungsfeld im Batteriefach ist komplizierter und alle Batteriemodule können vollständig mit der Luft in Kontakt kommen, um eine bessere Wärmeableitung zu erreichen.Gleichzeitig ist die Temperaturverteilung im Batteriefach gleichmäßiger und die Konsistenz der Batterie besser, was die Wahrscheinlichkeit von Brand- und Explosionsunfällen im Batteriefach verringern kann.Entsprechend der Analyse und Optimierung seiner luftgekühlten Wärmeableitung auf Basis von SolidWorks und Ansys werden folgende Schlussfolgerungen gezogen.

(1) Das Hinzufügen eines Luftkühlsystems zu dem Batteriefach kann das Batteriemodul in dem Batteriefach kühlen, aber durch die Struktur des Batteriefachs begrenzt.TDie Luft kann im Batteriefach nur eine einfache Zirkulation bilden und das Batteriemodul kann nicht gekühlt werden.Das Batteriemodul im mittleren Bereich des Batteriefachs erzeugt einen höheren Temperaturanstieg, und die höchste Temperatur im mittleren Bereich beträgt 57,15 °C.Nach längerem Betrieb verkürzt sich die Lebensdauer des Batteriemoduls im mittleren Bereich und die Konsistenz zwischen den Batteriemodulen verschlechtert sich, was den normalen Betrieb des Batteriefachs beeinträchtigt.

(2) Nach Hinzufügen eines einzelnen Deflektors im Batteriefach wird das Strömungsfeld der Luft im Batteriefach kompliziert.Die Luft bildet im Batteriefach 2 Hauptzirkulationen und erhält mehr Kontakt mit den Batteriemodulen für einen ausreichenderen Wärmeaustausch.Die durchschnittliche Temperatur im Akkufach sank um 2,9 °C, die maximale Temperatur um 4,5 °C und der Bereich, in dem die maximale Temperatur auftrat, war kleiner.Der Hoch-Tief-Temperaturunterschied im Bereich des Batterieclusters wird um 2,4 °C reduziert und die luftgekühlte Wärmeabfuhrwirkung des Batterieraums verbessert.

(3) Nach dem Hinzufügen von doppelten Deflektoren im Batteriefach wird das Strömungsfeld der Luft im Batteriefach komplizierter.Die Luft bildet im Batteriefach mehrere Kreisläufe und der Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul ist ausreichender.Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach sank um 5,5 °C, die maximale Temperatur um 8,6 °C und der Bereich, in dem die maximale Temperatur auftrat, war kleiner.Der Hoch-Tief-Temperaturunterschied im Bereich des Batterieclusters wird um 4,8 °C reduziert und der luftgekühlte Wärmeableitungseffekt des Batteriefachs wird verbessert.

Eine vernünftige Installation von Deflektoren im Batteriefach kann das Strömungsfeld im Batteriefach effektiv verändern. TDie Luft kann einen ausreichenderen Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul durchführen, wodurch die Temperaturverteilung des Batteriemoduls verändert wird.Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach wird reduziert und die Konsistenz ist besser, was die Lebensdauer des Batteriemoduls in gewissem Maße verbessert.

Das optimierte luftgekühlte Wärmeableitungssystem des Batteriefachs kann das Phänomen des thermischen Durchgehens des Lithium-Ionen-Batteriemoduls unterdrücken.ICHVerbessern Sie die Sicherheit des Batteriefachbetriebs des Energiespeichers, verlängern Sie die Lebensdauer der Batterie und verbessern Sie die Wirtschaftlichkeit der luftgekühlten Wärmeableitung des Batteriefachs.