سلوك نقل الحرارة لبطارية ليثيوم أيون وتصميم الإدارة الحرارية

مع زيادة مبيعات وملكية مركبات الطاقة الجديدة، تحدث أيضًا حوادث حريق لمركبات الطاقة الجديدة من وقت لآخر. يعد تصميم نظام الإدارة الحرارية مشكلة عنق الزجاجة التي تقيد تطوير مركبات الطاقة الجديدة. يعد تصميم نظام إدارة حرارية مستقر وفعال ذو أهمية كبيرة لتحسين سلامة مركبات الطاقة الجديدة.

النمذجة الحرارية لبطارية Li-ion هي أساس الإدارة الحرارية لبطارية Li-ion. تعد نمذجة خصائص نقل الحرارة ونمذجة خصائص توليد الحرارة جانبين مهمين في النمذجة الحرارية لبطارية الليثيوم أيون. في الدراسات الحالية حول نمذجة خصائص نقل الحرارة للبطاريات، تعتبر بطاريات الليثيوم أيون ذات موصلية حرارية متباينة الخواص. لذلك، من الأهمية بمكان دراسة تأثير مواضع نقل الحرارة المختلفة وأسطح نقل الحرارة على تبديد الحرارة والتوصيل الحراري لبطاريات الليثيوم أيون لتصميم أنظمة إدارة حرارية فعالة وموثوقة لبطاريات الليثيوم أيون.

1. نموذج التوصيل الحراري المكافئ للخلية

تم استخدام خلية بطارية ليثيوم فوسفات الحديد بقدرة 50 أمبير كموضوع بحثي، وتم تحليل خصائص سلوك نقل الحرارة الخاصة بها بالتفصيل، وتم اقتراح فكرة جديدة لتصميم الإدارة الحرارية. يظهر شكل الخلية في الشكل 1، وتظهر معلمات الحجم المحددة في الجدول 1. يتضمن هيكل بطارية ليثيوم أيون بشكل عام القطب الموجب، والقطب السالب، والكهارل، والفاصل، ورصاص القطب الموجب، ورصاص القطب السالب، والمحطة المركزية، والمواد العازلة، وصمام الأمان، ومعامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) الثرمستور وحالة البطارية. يتم وضع فاصل بين قطع القطب الموجب والسالب، ويتم تشكيل قلب البطارية عن طريق اللف أو يتم تشكيل مجموعة القطب عن طريق التصفيح. تبسيط بنية الخلية متعددة الطبقات إلى مادة خلية بنفس الحجم، وإجراء معاملة مكافئة على المعلمات الفيزيائية الحرارية للخلية، كما هو مبين في الشكل 2. ويفترض أن تكون مادة خلية البطارية وحدة مكعبة ذات خصائص التوصيل الحراري متباين الخواص. من المفترض أن الموصلية الحرارية ( lectz ) المتعامدة مع اتجاه التكديس أصغر من الموصلية الحرارية ( lect x , lecty y ) الموازية لاتجاه التراص.

2. سطح الخلية لديه القدرة على التبديد​ ​​

تظهر نتائج اختبار التوصيل الحراري للخلية في الجدول 2. عند استخدام هذه الخلية لتكامل نظام حزمة البطارية، يتضمن سطح تبديد الحرارة لتصميم الإدارة الحرارية للخلية 5 أسطح خارجية أخرى باستثناء سطح العروة. قم بتقييم وحساب قدرتها على تبديد الحرارة وتحديد مسار تبديد الحرارة لنواة البطارية عندما يُفترض أن الحمل يسخن.

تهدف هذه الورقة البحثية إلى استكشاف أفضل طريقة لإدارة نقل الحرارة على مستوى الخلية حرارياً أثناء تكامل حزمة البطارية. لذلك، يتم تقسيم أسطح التبريد الخمسة للخلية إلى ثلاث مجموعات. هناك ثلاثة خيارات مختلفة لربط خلية البطارية بهيكل الإدارة الحرارية للنظام، كما هو موضح في الشكل 3.

من خلال الحد الأقصى لانتقال الحرارة الأمامي والخلفي للخلية، تنتقل الحرارة من داخل الخلية عبر مسار التوصيل الحراري Φz إلى الحرارة المتولدة من الخلية عبر سطح الخلية. إذا تم تحديد نقل الحرارة الجانبي، فإن الحرارة من داخل الخلية تمر عبر مسار التوصيل الحراري χ y، وتنتقل الحرارة الناتجة عن الخلية عبر سطح الخلية. إذا تم تحديد نقل حرارة السطح السفلي، فإن الحرارة من داخل الخلية سوف تمرر الحرارة الناتجة عن الخلية عبر سطح الخلية من خلال مسار التوصيل الحراري ××.

الخيار الأمثل لتصميم الإدارة الحرارية هو أن لوحة التبريد السائلة للنظام أو قناة الهواء يمكنها ملامسة السطح بأقوى قدرة على تبديد الحرارة لنواة البطارية. في الوقت الحاضر، يقوم تصميم النظام في الغالب بتصميم موضع لوحة التبريد السائلة أو اتجاه تدفق مجرى الهواء من منظور تسهيل تكامل النظام، متجاهلاً التقييم المنهجي لقدرة نقل الحرارة لكل سطح من خلايا البطارية. في ظل افتراض أن المعلمات البيئية الخارجية متسقة، يتم اختيار أسطح الخلايا المختلفة كأسطح لتبديد الحرارة (اختيار الموصلية الحرارية المختلفة ومنطقة تبديد الحرارة ومسار تبديد الحرارة). تظهر المعلمات الرئيسية لسطح تبديد الحرارة في الشكل 4، ويظهر مسار تبديد الحرارة للخلية في الشكل 5.

بناءً على التحليل أعلاه، عندما يكون تدرج درجة الحرارة ΔT في اتجاه النقل هو 1 K، يتم حساب التدفق الحراري لكل سطح تبريد للبطارية.

عندما تكون ΔT تساوي 1 K، يكون التدفق الحراري 3.39 W إذا كان A1 وA2 هما سطحي التبريد الرئيسيين. إذا كان A3 و A4 هما سطحا التبريد الرئيسيان، فإن تدفق الحرارة يكون 4.68 وات. إذا تم استخدام A5 كسطح تبريد رئيسي، فإن تدفق الحرارة يكون 0.78 وات. لذلك فإن جانب البطارية (A3، A4) هو أفضل موقع والجزء السفلي من البطارية (A5) هو أسوأ موقع من حيث تدفق الحرارة.

تم أخذ شحن وتفريغ الخلية عند 1 درجة مئوية كشرط للبحث، وزمن الشحن أو التفريغ هو 3600 ثانية. معدل توليد الحرارة الداخلية للخلية هو 6.4 واط. الكتلة الإجمالية للخلية وعلبة الألمنيوم 1.43 كجم. عند النظر إليها ككل، تكون السعة الحرارية النوعية 1026.3 J/(kg·K).

بافتراض أن درجة الحرارة المحيطة هي 295 كلفن وأن قلب البطارية لا يبدد الحرارة إلى البيئة المحيطة، فإن ارتفاع درجة حرارة قلب البطارية هو 15.7 كلفن. وعندما تكتمل الخلية في حالة صالحة للعمل، تكون درجة حرارة الخلية 310.7 كلفن.

وفقًا لخصائص المواد المذكورة أعلاه وعملية توليد الحرارة، يتم تعيين شروط حدود المحاكاة، وتظهر نتائج محاكاة تحليل العناصر المحدودة (FEA) لارتفاع درجة حرارة قلب البطارية في الشكل 6. تظهر المقارنة بين نتائج الحساب ونتائج محاكاة FEA في الشكل 7. يمكن أن نرى من الشكل 6 والشكل 7 أن توزيع مجال درجة الحرارة لنواة البطارية هو 310.72-310.95 كلفن، وهو ما يتوافق مع نتائج الحساب، مما يثبت ذلك النمذجة الرياضية للبطارية FEA دقيقة وموثوقة. يمكن لنتائج FEA التحقق بشكل فعال من سلوك نقل الحرارة للخلية.

3. الحساب مقابل المحاكاة

بالنظر إلى طريقة تكامل الوحدة لبطاريات الليثيوم أيون المربعة، يتضمن التصميم الحالي لاختيار سطح التلامس للإدارة الحرارية لهيكل الوحدة مخطط نقل الحرارة للسطح السفلي للبطارية (A5) ومخطط نقل الحرارة لجانب البطارية (A3+A4). تصميم تخطيطي للبطارية الأمامية والخلفية (A1+A2). في ظل نفس البيئة الخارجية وحمل معدل توليد حرارة البطارية، تفترض هذه الورقة نفس الموصلية الحرارية، واختيار نظام نقل الحرارة السفلي للبطارية أو نظام نقل الحرارة جانب البطارية، ومقارنة نتائج فرق درجة الحرارة وارتفاع درجة الحرارة لخلايا البطارية.

يتم استخدام برنامج الحساب العددي لحساب معلمات نفس مصدر الحرارة على أسطح تبديد الحرارة المختلفة لبطاريات الليثيوم أيون المربعة للتحقق من تأثير تبديد الحرارة لنظام نقل الحرارة على السطح السفلي للبطارية ونظام نقل الحرارة على جانب البطارية. تبلغ درجة الحرارة المحيطة 295 كلفن، ومعدل توليد الحرارة للخلية 6.4 وات، والمعلمات الفيزيائية الأخرى هي نفسها كما في الفصل السابق. بافتراض أن نظام نقل الحرارة الموجود في الجزء السفلي من البطارية ونظام نقل الحرارة على جانب البطارية يحافظان على نفس التوصيل الحراري لسطح تبديد الحرارة، أي أنه يتم اعتماد نفس نظام التوصيل الحراري الخارجي ونفس معالجة التوصيل الحراري للواجهة.

وبمقارنة نتائج الحساب العددي للمخططين يمكن استنتاج ما يلي:

(1) حدد جانب البطارية كسطح تبديد الحرارة لخلية البطارية، ويمكن تحسين الحد الأقصى لارتفاع درجة الحرارة والحد الأقصى لفرق درجة الحرارة لخلية البطارية.

(2) بمقارنة المنحدر في نهاية منحنى ارتفاع درجة الحرارة، يمكن ملاحظة أن منحنى ارتفاع درجة الحرارة لنظام نقل الحرارة في الجزء السفلي من البطارية سيستمر في الزيادة مع زيادة وقت التشغيل، وستستمر درجة الحرارة القصوى لخلية البطارية في الزيادة (مثل دورات الشحن والتفريغ). ومع ذلك، فإن نهاية منحنى ارتفاع درجة الحرارة لنظام نقل الحرارة من جانب البطارية قريبة من التوازن، أي أن ارتفاع درجة الحرارة وفرق درجة الحرارة لا يتغيران بشكل كبير مع زيادة وقت العمل.

خلاصة القول، عند اختيار موضع الإدارة الحرارية وتبديد الحرارة لخلية البطارية، يكون نظام نقل الحرارة على جانب البطارية أفضل من نظام نقل الحرارة على السطح السفلي للبطارية.

4. الاستنتاج​

من خلال المحاكاة العددية وحساب الصيغة، تم التحقق من أنه عند تصميم الإدارة الحرارية لبطاريات الليثيوم أيون ، من الضروري تقييم قدرة تبديد الحرارة لموضع تبديد الحرارة للإدارة الحرارية لتحديد أفضل سطح لتبديد الحرارة. ومن الضروري تحديد المعلمات الرئيسية التي تؤثر على قدرة تبديد الحرارة، مثل حجم البطارية، ومعدل توليد الحرارة، وتدفق تبديد الحرارة، ومسافة مسار توصيل الحرارة. تحليل سلوك نقل الحرارة وخصائص نقل الحرارة من مستوى الخلية يمكن أن يحل بشكل فعال مشكلة التصميم غير الدقيق والمفصل للإدارة الحرارية على مستوى النظام الناجم عن تجاهل قدرة نقل الحرارة لخلية البطارية والتأكيد على عملية تكامل النظام أثناء الإدارة الحرارية لنظام تعبئة البطارية الحالي. إنه يوفر أفكارًا وطرقًا جديدة لأنظمة الإدارة الحرارية لتغليف البطاريات الفعالة.