Eine batteriegekühlte Wärmeableitung

Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften haben sich Lithium-Ionen-Batterien zu einem der Hauptbatterietypen für Energiespeicher-Batteriefächer entwickelt. Allerdings erzeugen Lithium-Ionen-Akkus beim Laden und Entladen kontinuierlich Wärme. Gleichzeitig staut 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. Dadurch steigt die Innentemperatur des Batteriefachs weiter an, wodurch die Gefahr eines thermischen Durchgehens entsteht und Sicherheitsrisiken für das Batteriefach entstehen. Die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Energiespeicherbatteriefächern waren schon immer die Hauptthemen bei der Entwicklung. Der Schlüssel zur nachhaltigen Entwicklung von Energiespeicher-Batteriefächern liegt in der Lösung des Wärmeableitungsproblems des Batteriefachs.

Das herkömmliche Wärmeableitungssystem des Batteriefachs ist einfach und die Temperaturverteilung im Batteriefach ist ungleichmäßig. Ein langfristiger Betrieb führt zu einer schlechten Konsistenz zwischen den Batteriemodulen, was die Lebensdauer der Batteriemodule erheblich beeinträchtigt.

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

Durch 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 ausgewählte Berechnungsmodell für die Batteriewärmeerzeugung ist wie folgt.

ρ – die durchschnittliche Dichte des Batteriemoduls; Cp – die spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls; T – die Kelvin-Temperatur der Batterie; t – Zeit; k x , k y , k z – die Wärmeleitungsrate 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, dessen Berechnungsformel wie folgt lautet.

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 bei einer bestimmten Lade- und Entladerate und gibt den Temperaturkoeffizienten an

Zur Berechnung der spezifischen Wärmekapazität Cp des Batteriemoduls gibt es hauptsächlich zwei Methoden. Die experimentelle Methode besteht darin, ein Kalorimeter zu verwenden, um das Batteriemodul direkt zu messen. Die theoretische Methode besteht darin, die spezifische Wärmekapazität des Batteriemoduls durch numerische Berechnung zu ermitteln. 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 1.329 J/(kg·K). Durch experimentelle Messung und Formelberechnung beträgt die Wärmeerzeugungsrate des in diesem Artikel verwendeten Lithiumeisenphosphat-Batteriemoduls 13.757,2 W/m 3 beim Laden bei 1 °C.

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

Die Wärmeleitung innerhalb der Batterie erfolgt über interne Materialien, darunter Stromkollektoren, Elektrodenmaterialien, Separatoren und Elektrolyte. 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 Batterietemperaturübertragung in den Weltraum; 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 mithilfe des Newtonschen Kühlungsgesetzes wie folgt ausgedrückt werden.

h – konvektiver Wärmeübergangskoeffizient verschiedener Materialien unter natürlichen Bedingungen; Tab – Umgebungstemperatur

Der Wärmeaustausch bei der luftgekühlten Wärmeabfuhr des Batteriefachs erfolgt hauptsächlich an der Kontaktfläche zwischen Batteriemodul und Luft. Um die luftgekühlte Wärmeableitung des Batteriefachs zu untersuchen, muss ein Fluid-Feststoff-Kopplungsmodell für das Batteriefach erstellt werden, um die Wärmeübertragungsbeziehung zwischen der Oberfläche des Batteriemoduls und der Luft zu analysieren.

u – Geschwindigkeit des Flüssigkeitsfeldes; k - Wärmeleitfähigkeit der Batterie

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

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

Um den Wärmeableitungseffekt des verbesserten Batteriefachs zu optimieren, ist oben am Batteriefach ein Deflektor angebracht. Die Breite des Deflektors beträgt 500 mm. Es gibt zwei verschiedene Optimierungsmethoden: das Hinzufügen eines einzelnen Deflektors und das Hinzufügen eines doppelten Deflektors zum Batteriefach während des Designs. Die Anordnung von zwei verschiedenen Batteriefachmodellen mit hinzugefügten Deflektoren ist in Abbildung 2 dargestellt.

Der innere Aufbau des Batteriemoduls ist komplex, seine Materialverteilung in verschiedene Richtungen und die Wärmeleitfähigkeit sind unterschiedlich. Tabelle 1 zeigt die thermischen charakteristischen Parameter des Gehäuses des Lithium-Eisenphosphat-Batteriemoduls sowie die Richtungen der x-Achse, y-Achse und z-Achse.

Durch die Berechnung der Oberfläche des Batteriemoduls kann die Wärmeableitungsfläche der Batterie mit 178,85 m ermittelt werden 2. Wenn Sie den Löser im Batteriefach als Fluid-Feststoff-Kopplungsfeld einrichten, können Sie die Bedingungen der konvektiven Wärmeübertragung direkt nutzen.

Die Einstellung der Randbedingungen des Simulationsmodells umfasst hauptsächlich Temperatur, Geschwindigkeit und Druck. Die Eintrittsrandbedingung ist die Eintrittsgeschwindigkeit, die Windgeschwindigkeit beträgt 4 m/s und die Eintrittslufttemperatur ist so eingestellt, dass sie mit der Umgebungstemperatur von 25 °C übereinstimmt. Mithilfe des Fluent-Moduls zur Simulation und Berechnung kann das Wolkendiagramm der Wärmeableitungsoberflächentemperatur des Basismodells des Batteriefachs erhalten werden, wie in Abbildung 3 dargestellt.

In Abbildung 3 , konzentriert sich der Hochtemperaturbereich im Batteriefach auf die Mitte des Batteriefachs und die Temperaturverteilung ist sehr ungleichmäßig. Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach beträgt 46,3 °C und der Unterschied zwischen Höchst- und Tiefsttemperatur im Bereich des Batterieblocks beträgt 26,5 °C. Im zentralen Bereich des Batteriefachs ist die Temperatur mit 57,15 °C am höchsten. Die niedrigste Temperatur beträgt 27,5 °C im oberen Bereich und am Eingang des Batteriefachs. Die Temperaturänderungskurve der durchschnittlichen Temperatur des Batterieclusterbereichs entlang der Lufteinlassrichtung ist in Abbildung 4 dargestellt.

In der Mitte erscheint die höchste Durchschnittstemperatur des Batterieclusterbereichs, die bei 56,2 °C liegt. Der niedrigste Wert erscheint am Rand des Batteriefachs und liegt bei 39,91 °C. Das Strömungsfeld am Rand des Batteriefachs ist schneller und sorgt so für einen besseren Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul. Der Strömungsfeldeffekt im zentralen Bereich des Batteriefachs ist schwach und kann keinen guten Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul bilden. Diese Ansicht kann auch durch Kombination des Stromliniendiagramms des Strömungsfelds überprüft werden, wie in Abbildung 5 dargestellt.

In Abbildung 5 , ist die Luftgeschwindigkeit im oberen Teil des Batteriefachs 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 an und bildet einen Kreislauf. 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 Verschwendung von Ressourcen führt und das Batteriefach keine gute Wärmeableitungswirkung erzielen kann.

Um eine bessere Wärmeableitung des Batteriefachs zu erreichen, kann die Intensität des Wärmeaustauschs zwischen Batteriemodul und Luft erhöht werden. Durch die rationelle Anordnung der Deflektoren wird das Strömungsfeld im Batteriefach so verändert, dass es gleichmäßiger verteilt wird, sodass die Luft und das Batteriemodul besser in Kontakt kommen können.

Normalerweise befinden sich der Lufteinlass und der Luftauslass des Batteriefachs oben im Oberteil. Zu diesem Zeitpunkt zirkuliert der Luftstrom nur über dem Batteriefach, , wodurch die Kühlwirkung der Module im unteren Teil des Batteriefachs unbefriedigend ist. Die Temperatur der Kühloberfläche des Batteriefachmodells nach dem Hinzufügen eines einzelnen Deflektors ist in Abbildung 6 dargestellt.

In Abbildung 6 , ändert sich die Temperaturverteilung im Batteriefach stark, wenn der Deflektor in der Nähe des Lufteinlasses des Batteriefachs angebracht wird. 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 und der Temperaturunterschied zwischen den Bereichen des Batterieclusters beträgt 24,1 °C. Die höchste Temperatur trat lediglich in der hinteren Hälfte des Batteriefachs auf und betrug 52,65 °C. Die niedrigste Temperatur liegt in der Nähe des Einlasses und des Deflektors und beträgt 26,85 °C. Die Temperaturänderungskurve der durchschnittlichen Temperatur des Batterieclusterbereichs entlang der Lufteinlassrichtung ist in Abbildung 7 dargestellt.

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

Wenn die Luft über den Einlass in das Batteriefach eintritt, wird der Strömungskanal durch den Deflektor blockiert . . Die Strömungsrichtung der Luft wird künstlich geändert, sodass sie für einen ausreichenden Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul in die untere Hälfte des Batteriefachs strömen muss. Auch das Liniendiagramm kann diesen Standpunkt bestätigen . Die Strömungsfeldgeschwindigkeit ist in Abbildung 8 dargestellt.

In Abbildung 8 wird es 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 höher, wodurch ein vollständigerer Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul möglich ist. Allerdings bildet sich in der zweiten Hälfte des Batteriefachs immer noch ein Wirbel, und die Temperatur ist in einigen Bereichen 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 Kühloberfläche des Batteriefachmodells nach dem Hinzufügen von Doppeldeflektoren ist in Abbildung 9 dargestellt.

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

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

Da durch die Hinzufügung von Doppeldeflektoren das Strömungsfeld im Batteriefach komplizierter wird, wird der Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem Batteriemodul verbessert und die Durchschnittstemperatur im Batteriefach im Vergleich zu einer einzelnen Platine weiter gesenkt. Die Geschwindigkeit des Strömungsfeldes ist in Abbildung 11 dargestellt.

In Abbildung 11 , wird die Luftzirkulation hinter dem Batteriefach 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 . Basierend auf der Analyse und Optimierung seiner luftgekühlten Wärmeableitung auf Basis von SolidWorks und Ansys werden folgende Schlussfolgerungen gezogen.

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

(2) Nach dem Hinzufügen eines einzelnen Deflektors im Batteriefach wird das Strömungsfeld der Luft im Batteriefach kompliziert. Die Luft bildet im Batteriefach zwei Hauptzirkulationen, die mehr Kontakt mit den Batteriemodulen haben und so für einen ausreichenden Wärmeaustausch sorgen. Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach sank um 2,9 °C, die maximale Temperatur sank um 4,5 °C und der Bereich, in dem die maximale Temperatur auftrat, war kleiner. Der hohe und niedrige Temperaturunterschied im Batterieclusterbereich wird um 2,4 °C verringert und der luftgekühlte Wärmeableitungseffekt des Batteriefachs verbessert.

(3) Nach dem Hinzufügen doppelter 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 sank um 8,6 °C und der Bereich, in dem die maximale Temperatur auftrat, war kleiner. Der hohe und niedrige Temperaturunterschied im Batterieclusterbereich wird um 4,8 °C reduziert und der luftgekühlte Wärmeableitungseffekt des Batteriefachs verbessert.

Durch den sinnvollen Einbau von Deflektoren im Batteriefach kann das Strömungsfeld im Batteriefach effektiv verändert werden. . Die Luft kann einen ausreichenden Wärmeaustausch mit dem Batteriemodul durchführen und dadurch die Temperaturverteilung des Batteriemoduls verändern. Die durchschnittliche Temperatur im Batteriefach wird reduziert und die Konsistenz besser, was die Lebensdauer des Batteriemoduls in gewissem Maße verbessert.

Das optimierte luftgekühlte Wärmeableitungssystem des Batteriefachs kann das thermische Durchgehen des Lithium-Ionen-Batteriemoduls unterdrücken . Ich verbessere die Sicherheit des Betriebs des Energiespeicher-Batteriefachs, verlängere die Lebensdauer der Batterie und verbessere die Wirtschaftlichkeit der luftgekühlten Wärmeableitung des Batteriefachs.