パワーバッテリーの熱管理システムの設計:
バッテリーの温度を調整して、バッテリーが動作するのに適した温度範囲に保つため。 バッテリーパック内の最高温度と最低温度の差を小さくします。
液冷システムの構成
液冷ヒートシンク システムは、現在、パワー バッテリーの熱管理に関して人気のある研究方向です。 熱容量が大きく、循環により電池システムの余分な熱を奪う冷却液の性能を利用することで、電池パックの最適な使用温度条件を実現します。
液冷ヒートシンク システムの基本コンポーネントには、電動ウォーター ポンプ、セル ラジエーター (間接冷却)、温度センサー、空調システム (コンプレッサー、凝縮器、蒸発器)、ヒーター、水対水熱交換器が含まれます。
その中で、空調システムは高温条件下で冷却を提供する役割を果たします。 ヒーターは、低温状態では冷却剤を加熱する役割を果たします。
熱伝達の原理
熱管理システムの設計の目的は、充電および放電プロセス中に新エネルギーフィールドパワーバッテリーの過剰な熱を伝達し、バッテリーの動作を適切な範囲内に維持し、異なる位置のセルの温度差を維持することです。大きすぎてはいけません。 このようにして、バッテリーの劣化速度を遅くすることができ、異なるセル間の分化の程度を遅くすることができます。
空冷や液冷など冷却形式が異なるのは、熱を伝える媒体が異なるためです。 原則として、さまざまな熱伝達方法から始める必要があります。 熱伝達には、熱放射、熱伝導、対流の 3 つの主な形式があります。
熱放射: 絶対零度より高い温度を持つ物体は熱放射を放射しています。 熱放射は媒体や接触を必要とせず、電磁波の形で熱を伝えます。 太陽から地球に伝わる熱は、熱放射の典型的なプロセスです。
熱伝導：媒体を介して高温領域から低温領域に熱を伝えるプロセス。 熱放射とは異なり、熱伝導には温度差と媒体という 2 つの条件が存在する必要があります。
対流: 温度差によって引き起こされる、流体内の相対的な流れ。
パワーバッテリーセル内の熱は、主に熱伝導によってバッテリー表面に伝わり、その後放射と対流によって周囲の空間に広がります。 熱管理システムをシステムに追加すると、熱伝達プロセスが部分的に変更されます。 たとえば、間接放熱では、熱は主に熱伝導によってバッテリーの表面からラジエターシェルに伝達され、その後シェルは熱伝導によってラジエター流路の表面に伝達されます。 熱は、熱伝導によって流路の表面から冷媒に伝達されます。 、冷却剤は対流によって冷却剤内の熱を伝達し、バッテリーパックの外側への冷却剤の強制的な流れに従います。
バッテリーパックの熱管理ソリューション
バッテリー パックの熱管理スキームには、バッテリー パックの冷却、バッテリー パックの低温予熱、およびバッテリー パックの保温という 3 つの対策が含まれます。
バッテリーパックの冷却
液冷システムの冷却機能は主に低温の冷媒を循環させることによって実現されます。 冷却剤自体の熱容量が比較的大きいため、必要な放熱力が比較的小さい場合は、サイクルプロセスを開始する必要はなく、設定温度範囲の要件をすでに満たすことができます。
バッテリーパックの冷却には、直接冷却と間接冷却という 2 つの主な形式があります。 直接冷却とは、冷却媒体がセルの表面から直接流れて過剰な熱を取り除くことを意味します。 間接冷却は、冷却媒体がパイプとラジエーターのチャネルを通って流れ、ラジエーターがセルと接触してセルの熱を冷却に伝達することを意味します。
バッテリーパックの低温ウォームアップ
本来、コンプレッサーには加熱機能がありますが、低温加熱効果が悪く、消費電力が比較的大きく、バッテリー寿命に大きな影響を与えます。 放電するには低すぎるか、単に最低放電温度を下回っています。 したがって、車の始動前の暖機プロセスが熱管理戦略に組み込まれています。
バッテリーパックの低温予熱には、内部加熱と外部加熱という 2 つの基本的な形式があります。
内部加熱。バッテリー パックの外部の AC 電源を使用して、バッテリー パックの適用可能な温度範囲に達するまでバッテリー電解液を加熱します。 発熱する部分はバッテリー自体なので内部発熱と呼ばれます。
外部加熱は、外部電力を使用してバッテリー以外の媒体を加熱し、媒体がその熱をバッテリーに伝え、バッテリーの温度がバッテリーの適切な温度範囲に達するまで徐々に上昇します。 外部媒体としては空気媒体や液体媒体が挙げられ、発熱体としてはＰＴＣや発熱フィルムなどが挙げられる。
外部加熱がより一般的な方法です。 一般的な実装形態は、バッテリーパック内部にヒーターを備えており、パワーバッテリーの電力を使用せず、パーキング状態ではバッテリーパック外部の電源をオンにし、PTCまたはPTCに電力を供給します。加熱フィルム。 外部電源は通常、大規模送電網からの電力エネルギーです。 ヒーターは電気エネルギーの無駄を気にすることなく、適用可能な最大電力に従って動作することができ、全体的な加熱速度は比較的高くなります。
バッテリーパックの絶縁
低温地域で使用される新エネルギーフィールドパワーバッテリーパックの場合、通常、ボックス本体は予熱熱の損失を遅らせるための断熱対策を講じて設計する必要があります。 走行中の短時間停車時にバッテリーが再び動作温度を下回ることを防ぎます。 実験によると、周囲温度はマイナス 20 度です。 予熱プロセスでは、バッテリーが 25 度に加熱され、車両を 8 時間放置すると、温度が約 18 度に下がります。
断熱対策は、熱管理機能を備えたすべての車両に提供されるわけではありません。 車両が予熱され、バッテリーパックが作動状態になると、バッテリー自体が大量の熱を発生します。 極寒の環境ではなく、長時間駐車する必要がない場合は、バッテリーパックの自己発熱により動作温度を維持できます。
冷却効果に影響を与える主な要因
冷却水の温度。冷却プロセス中、冷却液の温度が低いほどバッテリーの最高温度と最低温度は低くなりますが、両者の差は大きくなります。 加熱プロセス中、冷却液の温度が高くなるほど、バッテリーの温度差が大きくなります。 つまり、冷却剤とバッテリーの温度差が大きくなるほど、バッテリーパック内の異なる位置にあるセル間の温度差も大きくなります。
この現象は主に、熱管理システムの温度調節が異なる位置にあるセルに及ぼす影響の度合いが異なることに関係しています。 ラジエーターとの接触面積が大きいセルもあれば、比較的小さいセルもあります。 一方、バッテリーパック内の冷却液が循環している間、温度は入口から出口まで常に変化します。 場所が異なると、体温が同じでも冷却液とセルの温度差が異なります。 この問題を解決できるのは、単に冷却剤の温度を調整するだけではなく、正確な熱設計のみです。
冷却液の流れ。冷却剤の流れが増えるほど、同じ時間内に奪われる熱も多くなります。 いくつかのシミュレーションでは、特に液体冷却モデルを観察し、他のパラメータは変更せず、冷却液流量のみを調整し、冷却効果に対する冷却液流量の影響を観察しました。 冷却剤の流量が増加すると、バッテリー システムの最高温度は低下しますが、温度差は増加します。 最大温度差を超えた後、流量は増加し続け、温度差は減少し始めます。 流量を増加し続ける過程で、最高温度と温度差は一方向に減少していきます。
流量増加過程の前半では最高温度が低下し、温度差が大きくなります。 この理由は、特定の熱構造設計に関連する、冷却剤温度の継続的な低下の影響と一致しています。 冷却効果が異なれば、温度変化も異なります。 流量増加試験後半では、流量の増加に伴い、冷却水の流量が冷却器の吸熱量に対してある程度増加したため、温度差は減少し始め、減少し続けた。冷却水からバッテリーに伝わる熱は比較的小さいです。 このように、一方では、冷却液の温度への影響が小さくなり、システム入口付近の異なる位置における冷却液の温度差がますます小さくなります。 一方、異なるセルの熱伝達面積の違いによって生じる熱伝達能力の差は比較的小さくなります。 その結果、システム全体の温度差は減少し続けます。
しかし、トラフィックが増加し続けることはできません。 一方で、エネルギー消費量に関係するため、最もコストパフォーマンスの高いフローを選択することは避けられません。 一方で、大流量を長時間維持することは冷媒循環システムの強度を試されるものであり、機器の寿命を縮める可能性があると同時に、事故のリスクも高まります。
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