Con el aumento de las ventas y la propiedad de vehículos de nueva energía, de vez en cuando también se producen accidentes por incendio de vehículos de nueva energía. El diseño del sistema de gestión térmica es un problema de cuello de botella que restringe el desarrollo de vehículos de nueva energía. Diseñar un sistema de gestión térmica estable y eficiente es de gran importancia para mejorar la seguridad de los vehículos de nuevas energías.
El modelado térmico de baterías de iones de litio es la base de la gestión térmica de las baterías de iones de litio. El modelado de características de transferencia de calor y el modelado de características de generación de calor son dos aspectos importantes del modelado térmico de baterías de iones de litio. En los estudios existentes sobre modelado de las características de transferencia de calor de las baterías, se considera que las baterías de iones de litio tienen una conductividad térmica anisotrópica. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar la influencia de diferentes posiciones de transferencia de calor y superficies de transferencia de calor en la disipación de calor y la conductividad térmica de las baterías de iones de litio para el diseño de sistemas de gestión térmica eficientes y confiables para baterías de iones de litio.
1. Modelo de conducción de calor equivalente de la celda.
Se utilizó como objeto de investigación la celda de batería de fosfato de hierro y litio de 50 Ah, se analizaron en detalle sus características de comportamiento de transferencia de calor y se propuso una nueva idea de diseño de gestión térmica. La forma de la celda se muestra en la Figura 1 y los parámetros de tamaño específicos se muestran en la Tabla 1. La estructura de la batería de iones de litio generalmente incluye electrodo positivo, electrodo negativo, electrolito, separador, cable de electrodo positivo, cable de electrodo negativo, terminal central, material aislante, válvula de seguridad, termistor de coeficiente de temperatura positivo (PTC) y caja de la batería. Se intercala un separador entre las piezas polares positivas y negativas, y el núcleo de la batería se forma mediante bobinado o el grupo de polos se forma mediante laminación. Simplifique la estructura de la celda multicapa en un material de celda con el mismo tamaño y realice un tratamiento equivalente en los parámetros termofísicos de la celda, como se muestra en la Figura 2. Se supone que el material de la celda de la batería es una unidad cuboide con características de conductividad térmica anisotrópica. Se supone que la conductividad térmica (λz) perpendicular a la dirección de apilamiento es menor que la conductividad térmica (λx, λy) paralela a la dirección de apilamiento.
2. Capacidad de disipación de calor de la superficie celular
Los resultados de la prueba de conductividad térmica de la celda se muestran en la Tabla 2. Cuando se utiliza esta celda para la integración del sistema de paquete de baterías, la superficie de disipación de calor del diseño de gestión térmica de la celda incluye otras cinco superficies exteriores excepto la superficie de la orejeta. Evalúe y calcule su capacidad de disipación de calor y determine la ruta de disipación de calor del núcleo de la batería cuando se supone que la carga se calienta.
Este artículo tiene como objetivo investigar la mejor manera de gestionar térmicamente la transferencia de calor a nivel de celda durante la integración del paquete de baterías. Por tanto, las 5 superficies de refrigeración de la celda se dividen en 3 grupos. Hay tres opciones diferentes para unir la celda de la batería a la estructura de gestión térmica del sistema, como se muestra en la Figura 3.
A través de la máxima transferencia de calor frontal y posterior de la celda, el calor se transfiere desde el interior de la celda a través del camino de conductividad térmica λz al calor generado por la celda a través de la superficie de la celda. Si se selecciona la transferencia de calor lateral, el calor del interior de la celda pasa a través del camino de conductividad térmica λ y, y el calor generado por la celda se transmite a través de la superficie de la celda. Si se selecciona la transferencia de calor de la superficie inferior, el calor del interior de la celda pasará el calor generado por la celda a través de la superficie de la celda a través de la trayectoria de λ x conductividad térmica.
La opción óptima para el diseño de gestión térmica es que la placa de refrigeración líquida del sistema o el conducto de aire puedan tocar la superficie con la mayor capacidad de disipación de calor del núcleo de la batería. En la actualidad, el diseño del sistema diseña principalmente la posición de la placa de refrigeración líquida o la dirección del flujo del conducto de aire desde la perspectiva de facilitar la integración del sistema, ignorando la evaluación sistemática de la capacidad de transferencia de calor de cada superficie de la celda de la batería. Bajo el supuesto de que los parámetros ambientales externos son consistentes, se seleccionan diferentes superficies de celda como superficies de disipación de calor (selección de diferente conductividad térmica, área de disipación de calor y ruta de disipación de calor). Los parámetros clave de la superficie de disipación de calor se muestran en la Figura 4 y la ruta de disipación de calor de la celda se muestra en la Figura 5.
Según el análisis anterior, cuando el gradiente de temperatura ΔT en la dirección de transmisión es 1 K, se calcula el flujo de calor de cada superficie de enfriamiento de la batería.
Cuando ΔT es 1 K, el flujo de calor es 3,39 W si A1 y A2 son las principales superficies de enfriamiento. Si A3 y A4 son las superficies de enfriamiento principales, el flujo de calor es de 4,68 W. Si se usa A5 como superficie de enfriamiento principal, el flujo de calor es de 0,78 W. Por lo tanto, el costado de la batería (A3, A4) es la mejor ubicación y la parte inferior de la batería (A5) es la peor ubicación en términos de flujo de calor.
La carga y descarga de la celda a 1 C se toma como condición de investigación, y el tiempo de carga o descarga es de 3600 s. La tasa de generación de calor interna de la celda es de 6,4 W. La masa total de la celda y la carcasa de aluminio es de 1,43 kg. Considerado en su conjunto, la capacidad calorífica específica es de 1026,3 J/(kg·K).
Suponiendo que la temperatura ambiente es de 295 K y que el núcleo de la batería no disipa calor al entorno circundante, el aumento de temperatura del núcleo de la batería es de 15,7 K. Cuando la celda se completa en condiciones de funcionamiento, la temperatura de la celda es de 310,7 K.
De acuerdo con las propiedades del material y el proceso de generación de calor anteriores, se establecen las condiciones límite de la simulación y los resultados de la simulación del análisis de elementos finitos (FEA) del aumento de temperatura del núcleo de la batería se muestran en la Figura 6. La comparación entre los resultados del cálculo y los resultados de la simulación FEA se muestra en la Fig. 7. Se puede ver en las Figuras 6 y 7 que la distribución del campo de temperatura del núcleo de la batería es 310,72-310,95 K, lo cual es consistente con los resultados del cálculo, lo que demuestra que la matemática El modelado de la batería FEA es preciso y fiable. Los resultados del FEA pueden verificar eficazmente el comportamiento de transferencia de calor de la celda.
3. Cálculo vs simulación
Teniendo en cuenta el método de integración del módulo de baterías cuadradas de iones de litio, el diseño de selección de la superficie de contacto de gestión térmica existente de la estructura del módulo incluye el esquema de transferencia de calor de la superficie inferior de la batería (A5) y el esquema de transferencia de calor del lado de la batería (A3+A4). Diseño esquemático de la parte delantera y trasera de la batería (A1+A2). Bajo el mismo entorno externo y carga de tasa de generación de calor de la batería, este documento asume la misma conductividad térmica, elige el esquema de transferencia de calor inferior de la batería o el esquema de transferencia de calor del lado de la batería y compara la diferencia de temperatura y los resultados del aumento de temperatura de las celdas de la batería.
El software de cálculo numérico se utiliza para calcular los parámetros de la misma fuente de calor en diferentes superficies de disipación de calor de baterías cuadradas de iones de litio para verificar el efecto de disipación de calor del esquema de transferencia de calor en la superficie inferior de la batería y el esquema de transferencia de calor en el costado de la batería. La temperatura ambiente es 295 K, la tasa de generación de calor de la celda es 6,4 W y otros parámetros físicos son los mismos que en el capítulo anterior. Suponiendo que el esquema de transferencia de calor en la parte inferior de la batería y el esquema de transferencia de calor en el costado de la batería mantienen la misma conductividad térmica de la superficie de disipación de calor, es decir, se adoptan el mismo esquema de conducción de calor externo y el mismo tratamiento de conducción de calor de interfaz.
Comparando los resultados del cálculo numérico de los dos esquemas, se puede concluir que:
(1) Seleccione el lado de la batería como superficie de disipación de calor de la celda de la batería, y se puede mejorar el aumento máximo de temperatura y la diferencia de temperatura máxima de la celda de la batería.
(2) Al comparar la pendiente al final de la curva de aumento de temperatura, se puede ver que la curva de aumento de temperatura del esquema de transferencia de calor en la parte inferior de la batería continuará aumentando a medida que aumenta el tiempo de funcionamiento y la temperatura máxima de la celda de la batería continuará aumentando (como los ciclos de carga y descarga). Sin embargo, el final de la curva de aumento de temperatura del esquema de transferencia de calor del lado de la batería está cerca del equilibrio, es decir, el aumento de temperatura y la diferencia de temperatura no cambian significativamente a medida que aumenta el tiempo de trabajo.
En resumen, al seleccionar la posición de gestión térmica y disipación de calor de la celda de la batería, el esquema de transferencia de calor en el costado de la batería es mejor que el esquema de transferencia de calor en la superficie inferior de la batería.
4. Conclusión
Mediante simulación numérica y cálculo de fórmulas, se verifica que al diseñar la gestión térmica de baterías de iones de litio , es necesario evaluar la capacidad de disipación de calor de la posición de disipación de calor de la gestión térmica para determinar la mejor superficie de disipación de calor. Es necesario determinar más a fondo los parámetros clave que afectan la capacidad de disipación de calor, como el tamaño de la batería, la tasa de generación de calor, el flujo de disipación de calor y la distancia de la ruta de conducción de calor. El análisis del comportamiento de la transferencia de calor y las características de la transferencia de calor desde el nivel de la celda puede resolver eficazmente el problema del diseño de gestión térmica inexacto y detallado a nivel del sistema causado por ignorar la capacidad de transferencia de calor de la celda de la batería y enfatizar el proceso de integración del sistema durante la gestión térmica del sistema de embalaje de la batería actual. Proporciona nuevas ideas y métodos para sistemas eficientes de gestión térmica del embalaje de baterías.
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