Da der Verkauf und der Besitz von Fahrzeugen mit neuer Energie zunehmen, kommt es von Zeit zu Zeit auch zu Brandunfällen bei Fahrzeugen mit neuer Energie. Das Design des Wärmemanagementsystems ist ein Engpassproblem, das die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge einschränkt. Der Entwurf eines stabilen und effizienten Wärmemanagementsystems ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Sicherheit von Fahrzeugen mit neuer Energie.
Die thermische Modellierung von Li-Ionen-Batterien ist die Grundlage für das Wärmemanagement von Li-Ionen-Batterien. Die Modellierung der Wärmeübertragungseigenschaften und der Wärmeerzeugungseigenschaften sind zwei wichtige Aspekte der thermischen Modellierung von Lithium-Ionen-Batterien. In bestehenden Studien zur Modellierung der Wärmeübertragungseigenschaften von Batterien wird davon ausgegangen, dass Lithium-Ionen-Batterien eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Daher ist es von großer Bedeutung, den Einfluss verschiedener Wärmeübertragungspositionen und Wärmeübertragungsflächen auf die Wärmeableitung und Wärmeleitfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen, um effiziente und zuverlässige Wärmemanagementsysteme für Lithium-Ionen-Batterien zu entwerfen.
1. Äquivalentes Wärmeleitungsmodell der Zelle
Als Forschungsobjekt diente die 50-Ah-Lithium-Eisenphosphat-Batteriezelle, deren Wärmeübertragungsverhalten im Detail analysiert und eine neue Designidee für das Wärmemanagement vorgeschlagen wurde. Die Form der Zelle ist in Abbildung 1 dargestellt, und die spezifischen Größenparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Struktur einer Li-Ionen-Batterie umfasst im Allgemeinen positive Elektrode, negative Elektrode, Elektrolyt, Separator, positive Elektrodenleitung, negative Elektrodenleitung, Mittelanschluss, Isoliermaterial, Sicherheitsventil, Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und Batteriegehäuse. Zwischen den Plus- und Minuspolstücken ist ein Separator eingelegt, und der Batteriekern wird durch Wickeln oder die Polgruppe durch Laminieren gebildet. Vereinfachen Sie die mehrschichtige Zellstruktur zu einem Zellmaterial mit der gleichen Größe und führen Sie eine gleichwertige Behandlung der thermophysikalischen Parameter der Zelle durch, wie in Abbildung 2 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass das Batteriezellenmaterial eine quaderförmige Einheit mit anisotropen Wärmeleitfähigkeitseigenschaften ist. Es wird angenommen, dass die Wärmeleitfähigkeit (λz ) senkrecht zur Stapelrichtung kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit (λ x , λ y ) parallel zur Stapelrichtung.
2. Wärmeableitungsfähigkeit der Zelloberfläche
Die Testergebnisse der Wärmeleitfähigkeit der Zelle sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wenn diese Zelle für die Integration von Batteriepacksystemen verwendet wird, umfasst die Wärmeableitungsoberfläche des Zell-Wärmemanagementdesigns fünf weitere Außenflächen außer der Laschenoberfläche. Bewerten und berechnen Sie die Wärmeableitungskapazität und bestimmen Sie den Wärmeableitungspfad des Batteriekerns, wenn davon ausgegangen wird, dass sich die Last erwärmt.
In diesem Artikel soll untersucht werden, wie die Wärmeübertragung auf Zellebene während der Batteriepack-Integration am besten thermisch gesteuert werden kann. Daher sind die 5 Kühlflächen der Zelle in 3 Gruppen unterteilt. Für die Anbindung der Batteriezelle an die Wärmemanagementstruktur des Systems gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Durch die maximale Wärmeübertragung vorn und hinten der Zelle wird die Wärme vom Inneren der Zelle über den Weg der λz-Wärmeleitfähigkeit auf die von der Zelle erzeugte Wärme über die Oberfläche der Zelle übertragen. Wenn die seitliche Wärmeübertragung ausgewählt ist, gelangt die Wärme aus dem Inneren der Zelle über den Weg der Wärmeleitfähigkeit λ y und die von der Zelle erzeugte Wärme wird durch die Oberfläche der Zelle übertragen. Wenn die Wärmeübertragung an der Unterseite ausgewählt wird, leitet die Wärme aus dem Inneren der Zelle die von der Zelle erzeugte Wärme über den Weg von λ x Wärmeleitfähigkeit durch die Oberfläche der Zelle.
Die optimale Wahl für das Wärmemanagementdesign besteht darin, dass die Flüssigkeitskühlplatte oder der Luftkanal des Systems die Oberfläche mit der stärksten Wärmeableitungsfähigkeit des Batteriekerns berühren kann. Derzeit wird beim Systemdesign die Position der Flüssigkeitskühlplatte oder die Strömungsrichtung des Luftkanals hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt der Erleichterung der Systemintegration festgelegt, wobei die systematische Bewertung der Wärmeübertragungskapazität jeder Oberfläche der Batteriezelle außer Acht gelassen wird. Unter der Annahme, dass die äußeren Umgebungsparameter konsistent sind, werden unterschiedliche Zelloberflächen als Wärmeableitungsflächen ausgewählt (Auswahl unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, Wärmeableitungsfläche und Wärmeableitungspfad). Die wichtigsten Parameter der Wärmeableitungsoberfläche sind in Abbildung 4 dargestellt, und der Wärmeableitungspfad der Zelle ist in Abbildung 5 dargestellt.
Basierend auf der obigen Analyse wird der Wärmefluss jeder Kühlfläche der Batterie berechnet, wenn der Temperaturgradient ΔT in Übertragungsrichtung 1 K beträgt.
Wenn ΔT 1 K beträgt, beträgt der Wärmestrom 3,39 W, wenn A1 und A2 die Hauptkühlflächen sind. Wenn A3 und A4 die Hauptkühlflächen sind, beträgt der Wärmefluss 4,68 W. Wenn A5 als Hauptkühlfläche verwendet wird, beträgt der Wärmefluss 0,78 W. Daher ist die Seite der Batterie (A3, A4) der beste Ort und die Unterseite der Batterie (A5) der schlechteste Ort im Hinblick auf den Wärmefluss.
Als Forschungsbedingung wird das Laden und Entladen der Zelle bei 1 °C angenommen, die Lade- bzw. Entladezeit beträgt 3600 s. Die interne Wärmeerzeugungsrate der Zelle beträgt 6,4 W. Die Gesamtmasse der Zelle und des Aluminiumgehäuses beträgt 1,43 kg. Insgesamt beträgt die spezifische Wärmekapazität 1026,3 J/(kg·K).
Unter der Annahme, dass die Umgebungstemperatur 295 K beträgt und der Batteriekern keine Wärme an die Umgebung abgibt, beträgt der Temperaturanstieg des Batteriekerns 15,7 K. Wenn die Zelle vollständig betriebsbereit ist, beträgt die Temperatur der Zelle 310,7 K.
Gemäß den oben genannten Materialeigenschaften und dem Wärmeerzeugungsprozess werden die Simulationsrandbedingungen festgelegt und die Simulationsergebnisse der Finite-Elemente-Analyse (FEA) des Temperaturanstiegs des Batteriekerns sind in Abbildung 6 dargestellt. Der Vergleich zwischen den Berechnungsergebnissen und den FEA-Simulationsergebnissen ist in Abbildung 7 dargestellt. Aus Abbildung 6 und Abbildung 7 ist ersichtlich, dass die Temperaturfeldverteilung des Batteriekerns 310,72–310,95 K beträgt, was mit den Berechnungsergebnissen übereinstimmt, was beweist, dass die Mathematik Die Modellierung der Batterie-FEA ist genau und zuverlässig. Die FEA-Ergebnisse können das Wärmeübertragungsverhalten der Zelle effektiv überprüfen.
3. Berechnung vs. Simulation
In Anbetracht der Modulintegrationsmethode quadratischer Lithium-Ionen-Batterien umfasst das bestehende Design der Kontaktflächenauswahl für das Wärmemanagement der Modulstruktur das Wärmeübertragungsschema der Unterseite der Batterie (A5) und das Wärmeübertragungsschema der Seite der Batterie (A3+A4). Schematischer Aufbau der Batterievorder- und -rückseite (A1+A2). In diesem Dokument wird von der gleichen Wärmeleitfähigkeit bei gleicher äußerer Umgebung und gleicher Batteriewärmeerzeugungsrate ausgegangen. Wählen Sie das Wärmeübertragungsschema der Batterie unten oder das Wärmeübertragungsschema der Batterieseite und vergleichen Sie die Ergebnisse der Temperaturdifferenz und des Temperaturanstiegs der Batteriezellen.
Mithilfe einer numerischen Berechnungssoftware werden die Parameter derselben Wärmequelle auf verschiedenen Wärmeableitungsflächen quadratischer Lithium-Ionen-Batterien berechnet, um den Wärmeableitungseffekt des Wärmeübertragungsschemas auf der Unterseite der Batterie und des Wärmeübertragungsschemas auf der Seite der Batterie zu überprüfen. Die Umgebungstemperatur beträgt 295 K, die Wärmeerzeugungsrate der Zelle beträgt 6,4 W und andere physikalische Parameter sind die gleichen wie im vorherigen Kapitel. Unter der Annahme, dass das Wärmeübertragungsschema an der Unterseite der Batterie und das Wärmeübertragungsschema an der Seite der Batterie die gleiche Wärmeleitfähigkeit der Wärmeableitungsoberfläche beibehalten, d. h. das gleiche externe Wärmeleitungsschema und die gleiche Wärmeleitungsbehandlung an der Grenzfläche werden übernommen.
Beim Vergleich der numerischen Berechnungsergebnisse der beiden Schemata kann folgendes festgestellt werden:
(1) Wählen Sie die Seite der Batterie als Wärmeableitungsoberfläche der Batteriezelle, um den maximalen Temperaturanstieg und die maximale Temperaturdifferenz der Batteriezelle zu verbessern.
(2) Beim Vergleich der Steigung am Ende der Temperaturanstiegskurve ist ersichtlich, dass die Temperaturanstiegskurve des Wärmeübertragungsschemas an der Unterseite der Batterie mit zunehmender Betriebszeit weiter zunimmt und die maximale Temperatur der Batteriezelle weiter ansteigt (z. B. bei Lade- und Entladezyklen). Das Ende der Temperaturanstiegskurve des batterieseitigen Wärmeübertragungsschemas liegt jedoch nahe am Gleichgewicht, d. h. der Temperaturanstieg und die Temperaturdifferenz ändern sich mit zunehmender Betriebszeit nicht wesentlich.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Auswahl des Wärmemanagements und der Wärmeableitungsposition der Batteriezelle das Wärmeübertragungsschema an der Seite der Batterie besser ist als das Wärmeübertragungsschema an der Unterseite der Batterie.
4. Fazit
Durch numerische Simulation und Formelberechnung wird bestätigt, dass beim Entwurf des Wärmemanagements von Lithium-Ionen-Batterien die Wärmeableitungskapazität der Wärmeableitungsposition des Wärmemanagements bewertet werden muss, um die beste Wärmeableitungsoberfläche zu ermitteln. Es ist notwendig, die Schlüsselparameter weiter zu bestimmen, die sich auf die Wärmeableitungsfähigkeit auswirken, wie z. B. Batteriegröße, Wärmeerzeugungsrate, Wärmeableitungsfluss und Entfernung des Wärmeleitungspfads. Durch die Analyse des Wärmeübertragungsverhaltens und der Wärmeübertragungseigenschaften auf Zellebene kann das Problem eines ungenauen und detaillierten Wärmemanagementdesigns auf Systemebene wirksam gelöst werden, das durch die Ignorierung der Wärmeübertragungsfähigkeit der Batteriezelle und die Betonung des Systemintegrationsprozesses während des Wärmemanagements des aktuellen Batterieverpackungssystems verursacht wird. Es liefert neue Ideen und Methoden für effiziente Wärmemanagementsysteme für Batterieverpackungen.
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