ศึกษาเทคโนโลยีการจัดการความร้อนของแบตลิเธียมรถยนต์

เพื่อตอบสนองความต้องการในการเดินทางที่เพิ่มขึ้นของผู้คน ความหนาแน่นของพลังงานสำหรับแบตลิเธียมรถยนต์ยังคงเพิ่มขึ้นสู่ระดับใหม่ในการพัฒนา สิ่งที่ตามมาคือการผลิตความร้อนที่สูงขึ้นและความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่มากขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอุณหภูมิในการทำงานและอุณหภูมิในการทำงานที่สูงหรือต่ำเกินไปความแตกต่างของอุณหภูมิขนาดใหญ่ระหว่างแกนจะส่งผลต่อการทำงานของพวกเขา

เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานที่มั่นคงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าและหลีกเลี่ยงการเกิดอุบัติเหตุร้ายแรงจำเป็นต้องรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาระบบการจัดการความร้อนแบตเตอรี่ (BTMS) ที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพซึ่งค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจร่วมกันของชุมชนอุตสาหกรรมและชุมชนวิชาการ

บทความนี้จะแนะนำเทคโนโลยีการจัดการความร้อนแบตลิเธียมรถยนต์ ระบบระบายความร้อนด้วยแบตลิเธียมรถยนต์ การวิเคราะห์อันตรายด้านความปลอดภัยของแบตลิเธียมรถยนต์ไฟฟ้า

เทคโนโลยีการจัดการความร้อนของแบตลิเธียมรถยนต์

ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ

การระบายความร้อนด้วยอากาศโดยใช้อากาศเป็นสื่อระบายความร้อนแบ่งออกเป็นระบายความร้อนด้วยอากาศตามธรรมชาติและการบังคับอากาศเย็น การระบายความร้อนด้วยอากาศตามธรรมชาติคือการพึ่งพาการไหลของอากาศที่ขับเคลื่อนโดยรถยนต์ในระหว่างการเดินทางเพื่อดึงความร้อนออกจากพื้นผิวของแบตเตอรี่

การระบายความร้อนด้วยอากาศแบบบังคับจะผ่านการติดตั้งพัดลมเพื่อขับเคลื่อนการไหลของอากาศมากขึ้นเพื่อให้ได้ผลการกระจายความร้อนที่ดีขึ้น ระบบจัดการความร้อนและระบายความร้อนด้วยอากาศมีข้อดีของต้นทุนการผลิตต่ำติดตั้งง่ายและความน่าเชื่อถือที่แข็งแกร่ง ปัจจุบันโดดเด่นในรถยนต์ไฟฟ้าเชิงพาณิชย์

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

ของเหลวมีความสามารถในการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าอากาศและสามารถตอบสนองต่อความต้องการกระจายความร้อนที่สูงขึ้นแบ่งความเย็นของเหลวออกเป็นของเหลวโดยตรงและระบายความร้อนด้วยของเหลวทางอ้อมตามโหมดการติดต่อที่แตกต่างกันระหว่างของเหลวและแบตเตอรี่ การระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรงช่วยลดอุณหภูมิโดยการแช่เซลล์เซลล์หรือโมดูลแบตเตอรี่ลงในสื่อทำความเย็นความสอดคล้องของระบบนำความสม่ำเสมอของอุณหภูมิที่ดีในการเลือกประเภทของของเหลวระบายความร้อนการระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรงต้องใช้ฉนวนไฟฟ้าของเหลว (เช่นน้ำมันแร่น้ำมันซิลิโคน)

แต่ความเหนียวของสารประเภทนี้ค่อนข้างใหญ่ อัตราการไหลจะถูกจํากัดในระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อนและต้องการการขับเคลื่อนการใช้พลังงานเพิ่มเติม

การระบายความร้อนด้วยของเหลวทางอ้อมด้วยความช่วยเหลือของของเหลวผ่านแผ่นเย็นที่วางแบตเตอรี่และท่ออิสระเพื่อให้เกิดการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ของเหลวระบายความร้อน (เช่นส่วนผสมของเอทิลีนไกลคอล / น้ำ, ของเหลวนาโน, โลหะเหลว) มีความหนืดค่อนข้างเล็กซึ่งสามารถประหยัดพลังงาน โดยการเพิ่มอนุภาคโลหะหรือโลหะออกไซด์เช่นอลูมินาในของเหลวสามารถเพิ่มการนำความร้อนของของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มความสามารถในการนำความร้อน

นอกจากนี้กระบวนการทำความเย็นด้วยของเหลวทางอ้อมเนื่องจากการนำความร้อนของสารหล่อเย็นต้องผ่านพื้นผิวท่อและอากาศระหว่างเซลล์และท่อดังนั้นความต้านทานความร้อนของระบบเองจะมีมากขึ้น โดยทั่วไปจะเติมช่องว่างระหว่างเซลล์และท่อด้วยฟิล์มซิลิโคนถ่ายเทความร้อนเพื่อขจัดอุปสรรคการถ่ายเทความร้อน

ระบบทำความเย็นท่อความร้อน

ท่อความร้อนประกอบด้วยเครื่องระเหย ท่อแบบอะเดียแบติกและคอนเดนเซอร์ เครื่องระเหยจะถูกยึดติดกับแหล่งความร้อนสื่อของเหลวในท่อความร้อนจะถูกระเหยโดยความร้อนและส่งผ่านไปยังปลายควบแน่นภายใต้การกระทำของความแตกต่างของความดันจากนั้นของเหลวเย็นจะถูกปล่อยความร้อนในเวลาเดียวกันด้วยความช่วยเหลือของการกระทำของเส้นเลือดฝอย ไหลกลับไปยังปลายระเหยความร้อนจะถูกถ่ายโอนในระหว่างการไหลเวียนดังกล่าว

เพื่อให้เกิดการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพการสัมผัสที่ดีระหว่างเครื่องระเหยและแหล่งความร้อนเป็นสิ่งจำเป็นซึ่งมีความท้าทายในการออกแบบและขนาดของรูปท่อความร้อน นอกจากนี้หากปลายคอนเดนเซอร์สามารถถ่ายโอนความร้อนไปยังโลกภายนอกได้อย่างรวดเร็วจะเป็นประโยชน์ต่อการระบายความร้อนโดยทั่วไปจะทำโดยการรวมกับวิธีการระบายความร้อนอื่น ๆ เช่นการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ

ระบบทำความเย็นเปลี่ยนเฟส

ระบบทำความเย็นเปลี่ยนเฟส (Phase change cooling system)เป็นระบบที่ใช้วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCM) เพื่อดูดซับหรือปล่อยความร้อนแฝงจำนวนมากในระหว่างการเปลี่ยนเฟสเพื่อการจัดการความร้อน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นวัสดุเปลี่ยนเฟสจะถูกดูดซับเก็บพลังงานในรูปแบบความร้อนที่แสดงครั้งแรกดูดซับเก็บพลังงานในรูปแบบความร้อนที่แฝงเมื่อถึงอุณหภูมิเปลี่ยนเฟส

วัสดุเปลี่ยนเฟสตามคุณสมบัติทางเคมีสามารถแบ่งออกเป็นวัสดุเปลี่ยนเฟสอินทรีย์ (เช่นขี้ผึ้งพาราฟินกรดไขมันโพลีออล) วัสดุเปลี่ยนเฟสอนินทรีย์ (เช่นเกลือไฮเดรตเกลือหลอมเหลว) และวัสดุเปลี่ยนเฟส eutectic พวกเขามีข้อได้เปรียบของความหนาแน่นการจัดเก็บพลังงานสูงเสถียรภาพทางเคมีที่ดี ฯลฯ ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมในกระบวนการเปลี่ยนเฟสทั้งหมดและอุณหภูมิของวัสดุเองยังคงเกือบคงที่ดังนั้นจึงถือว่าเป็นวัสดุการจัดการความร้อนที่มีแนวโน้มมาก

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับแบตลิเธียมรถยนต์

ปัจจุบันรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นพลังงานกลายเป็นหนึ่งในทิศทางหลักของการพัฒนาอุตสาหกรรมยานยนต์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีพลังงานจำเพาะสูงอัตราการปลดปล่อยตัวเองต่ำและข้อดีอื่น ๆ อายุการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่นี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทำงานจริงของแบตเตอรี่เป็นส่วนใหญ่

ภายใต้สภาพการทำงานที่เร่งรีบฉุกเฉินแบตลิเธียมรถยนต์จะถูกปล่อยออกมาในปัจจุบันสูงพลังงานความร้อนมีขนาดใหญ่และการผลิตความร้อนมากขึ้น ในเวลานี้แบตลิเธียมรถยนต์มีแนวโน้มที่จะร้อนเกินไปส่งผลให้ยานพาหนะติดไฟได้เองดังนั้นระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญ

ในปัจจุบันวิธีการระบายความร้อนหลักของเซลล์ความร้อนพลังงานสูงคือการกระจายความร้อนด้วยความเย็นของเหลวซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทของการติดต่อโดยตรงและการติดต่อทางอ้อม อดีตจะต้องแช่แบตเตอรี่ในสารหล่อเย็นวิธีการนี้ไม่เอื้อต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่และการบำรุงรักษาในภายหลัง

ดังนั้นการใช้และการวิจัยในปัจจุบันจึงเป็นการติดต่อทางอ้อมเช่นการใช้โครงสร้างแผ่นเย็นของเหลว เพื่อให้ได้ผลการกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอมากขึ้นการออกแบบทางวิ่งที่ซับซ้อนของแผ่นทำความเย็นเหลวเป็นจุดที่ยาก

จางหลินและอื่น ๆ พบว่าช่องทางแยกในแผ่นทำความเย็นเหลวมีประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดีกว่าช่องทางตรงขนานและช่องงูตามการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) และอัลกอริทึมการเรียงลำดับทางพันธุกรรมที่ไม่ใช้แล้วอย่างรวดเร็วได้นำเสนอโครงสร้างแผ่นระบายความร้อนแบบใหม่ซึ่งสามารถปรับปรุงผลการกระจายความร้อนของระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่เหลว

Shaosensu ฯลฯ ศึกษาผลกระทบของ U รูปร่างความหนาของแผ่นระบายความร้อนของเหลวความหนาของผนังอุณหภูมิขาเข้าน้ำหล่อเย็นและอัตราการไหลในการกระจายอุณหภูมิของเซลล์และการกระจายความดัน Xiaobao Mo และอื่น ๆ ได้รับการออกแบบโครงสร้างแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบใหม่โดยใช้วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของโทโพโลยีเมื่อเทียบกับแผ่นระบายความร้อนแบบเส้นตรงแบบดั้งเดิมการสูญเสียความดันและอุณหภูมิสูงสุดของแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ดีที่สุดจะลดลงอย่างมีประสิทธิภาพ

โครงสร้างนักวิ่งภายในของแผ่นเย็นของเหลวไม่เพียง แต่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการกระจายความร้อน แต่ยังสูญเสียความดันของน้ำหล่อเย็นและความสม่ำเสมอของการกระจายอุณหภูมิของแผ่นทำความเย็นเหลวและความต้านทานการไหลต่ำเป็นเรื่องยากที่จะดูแลแผนการที่ดีที่สุดของความสม่ำเสมอของอุณหภูมิอาจสูญเสียความดันขนาดใหญ่และความดันลดลงไม่ใช่สิ่งที่ดีที่สุด

จากปัญหาข้างต้นการศึกษานี้ทำการออกแบบและวิเคราะห์แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ double-runner แบบกดสร้างแบบจำลอง CFD โดเมนของเหลวของแผ่นทำความเย็นเหลววิเคราะห์อัตราส่วนความดันลดลงของแต่ละส่วนของแผ่นทำความเย็นเหลวและเสนอวิธีการลดการสูญเสียความดันของแผ่นทำความเย็นเหลว

ในเวลาเดียวกันมุ่งเป้าไปที่ความสม่ำเสมอของการไหลของมวลโดยใช้ซอฟต์แวร์เพิ่มประสิทธิภาพการรวมข้อต่อหลายสนามเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความกว้างของช่องวิ่งภายในของแผ่นเย็นของเหลวโดยอัตโนมัติและในที่สุดก็สร้างแบบจำลองการถ่ายเทความร้อนของแผ่นระบายความร้อนของเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมอุณหภูมิสูงสุดและความแตกต่างของอุณหภูมิสูงสุดบนพื้นผิวด้านบนของเซลล์นิวเคลียร์

การวิเคราะห์ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยของแบตลิเธียมรถยนต์

ความร้อนออกจากการควบคุมที่เกิดจากความร้อนสูงเกินไปของแบตเตอรี่เป็นสาเหตุหลักของการเกิดไฟไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งมักเกิดขึ้นในระหว่างการชาร์จและการปลดปล่อยแบตเตอรี่ เนื่องจากลิเธียมไอออนเองมีความต้านทานภายในบางอย่าง ในขณะที่การส่งออกพลังงานไฟฟ้ารับประกันการจัดหาพลังงานของรถยนต์ไฟฟ้าก็จะสร้างความร้อนบางอย่างเช่นกัน ความร้อนอย่างต่อเนื่องนี้จะทําให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสูงขึ้น

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นโดยรวมประกอบด้วยแกนไฟฟ้าเดี่ยวหลายแกน เมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่อยู่ในสถานะที่ร้อนขึ้นอย่างต่อเนื่องพลังงานความร้อนจํานวนมากที่เกิดขึ้นระหว่างการจัดหาพลังงานจะรวมตัวกันในกล่องแบตเตอรี่ขนาดเล็ก เมื่อเกินอุณหภูมิการทำงานปกติและขีด จํากัด การทนต่อมันจะทําลายอายุการใช้งานของแบตลิเธียมรถยนต์อย่างรุนแรงและแม้กระทั่งทําให้ความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่สามารถควบคุมได้หรือระเบิด

ความร้อนออกจากการควบคุมที่เกิดจากสาเหตุของการชน

รถยนต์ไฟฟ้าเมื่อเกิดอุบัติเหตุบนท้องถนนจะเกิดการชนกันในระดับที่แตกต่างกันและปัจจัยแรงภายนอกที่แข็งแกร่งจะทำหน้าที่เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในเวลาเดียวกัน ทำให้กล่องแบตลิเธียมรถยนต์เสียรูปแตกอุปกรณ์เสริมของแบตเตอรี่จะถูกย้ายหรือเสียหายไดอะแฟรมของแบตเตอรี่ฉีกขาดทำให้เกิดการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ไวไฟรั่วออกมา

ในบรรดาความเสียหายที่เกิดจากการบาดเจ็บจากการชนกันทั้งหมดต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ความเสียหายที่ร้ายแรงที่สุดคือการบาดเจ็บจากการเจาะการบาดเจ็บจากการเจาะอย่างรุนแรงจะถูกแทรกเข้าไปในร่างกายของแบตเตอรี่โดยตรงทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรโดยตรงของแบตลิเธียมรถยนต์และทำให้เกิดการระเบิดของการสะสมความร้อนอย่างรุนแรงทำให้เกิดความร้อนออกจากการควบคุมและทำลายความปกติของแบตเตอรี่อย่างรุนแรง

ความร้อนออกจากการควบคุมเกิดจากการใช้งานที่ไม่เหมาะสม

การใช้งานที่ไม่เหมาะสมยังเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความร้อนออกจากการควบคุมของแบตเตอรี่ลิเธียมรถยนต์ซึ่งสะท้อนให้เห็นอย่างชัดเจนในหลายสาเหตุ เช่น การชาร์จแบตเตอรี่ มากเกินไป การปล่อยไฟมากเกินไป และการลัดวงจรภายนอก เมื่อเทียบกับการลัดวงจรภายนอกและการชาร์จที่มากเกินไปการปล่อยมากเกินไปเป็นอันตรายต่อแบตลิเธียมรถยนต์ค่อนข้างน้อยและการเติบโตของผลึกทองแดงในระหว่างการปล่อยจะลดความปลอดภัยของแบตเตอรี่และเพิ่มอัราเกิดความร้อนออกจากการควบคุม

เมื่อลัดวงจรภายนอกความร้อนของแบตเตอรี่ไม่สามารถกระจายได้อย่างมีประสิทธิภาพอุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นและทำให้ความร้อนไม่สามารถควบคุมได้ การชาร์จที่มากเกินไปเป็นอันตรายต่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใหญ่ที่สุดและเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียความร้อนของแบตเตอรี่

การชาร์จที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการฝังตัวของลิเธียมมากเกินไปผลึกลิเธียมเติบโตบนพื้นผิวขั้วบวกการถอดการฝังตัวของลิเธียมมากเกินไปทำให้โครงสร้างแคโทดพังทลายลงเนื่องจากความร้อนและการปล่อยออกซิเจนการปล่อยออกซิเจนจะเร่งการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์เพื่อผลิตก๊าซจำนวนมากเมื่อความดันภายในเพิ่มขึ้นเพื่อให้วาล์วไอเสียเปิดแบตเตอรี่จะเริ่มระบาย ช่วงนี้สารออกฤทธิ์ในแกนไฟฟ้าสัมผัสกับอากาศและทำปฏิกิริยารุนแรงปล่อยความร้อนออกมามากจึงทำให้แบตลิเธียมรถยนต์เกิดไฟลุกไหม้

ความร้อนออกจากการควบคุมเนื่องจากอุณหภูมิแวดล้อมภายนอกสูงเกินไป

อุณหภูมิแวดล้อมภายนอกที่สูงเกินไปก็เป็นหนึ่งในสาเหตุที่ทําให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเกิดอุบัติเหตุที่ไม่สามารถควบคุมความร้อนได้ เมื่อสภาพแวดล้อมภายนอกสูงเกินไปการกระจายความร้อนของลิเธียมไอออนจะทวีความรุนแรงขึ้นและไม่สามารถกระจายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ การรวมตัวของความดันความร้อนทั้งภายในและภายนอกทำให้ระบบควบคุมอุณหภูมิของลิเธียมไอออนถูกทำลายและไม่สามารถมีผลการป้องกันที่เหมาะสมได้

สาเหตุของอุณหภูมิภายนอกสูงเกินไปมีหลายด้านเช่นความล้มเหลวของระบบปรับอากาศรถยนต์ไฟฟ้าความล้มเหลวของระบบการจัดการความร้อนการชนภายนอกทำให้โครงสร้างภายในของแบตลิเธียมรถยนต์ถูกบีบอัดและความเสียหาย ฯลฯ ปัจจัยเหล่านี้อาจทำให้อุณหภูมิภายนอกสูงเกินไปและเกิดความร้อนของแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถควบคุมได้