Обзор термостатических клапанов Herz Armaturen

Радиаторные регуляторы температуры – термостаты – выполняют две важные функции: обеспечивают комфортную температуру в помещении и следят за экономией тепловой энергии. Установка термостатов возможна как на одном отдельно взятом радиаторе, так и на ветке подающей теплоноситель к нескольким отопительным приборам. Комфортные условия достигаются поддержанием заданной температуры воздуха в помещении, а также возможностью задавать дневной и ночной режимы. Теплоноситель начинает циркулировать в радиаторе только при снижении температуры в помещении ниже заданной, что приводит к экономии тепловой энергии до 30%!

   Как же работают радиаторные термостаты и какие виды термостатов существуют?

Рассмотрим устройство простейшего радиаторного термостата, обычно это два элемента – термостатическая головка (1) и термостатический клапан (5). Принцип работы его следующий: при увеличении температуры в помещении чувствительный элемент (2) в термостатической головке расширяется и передает давление через стержень (3) на шток (6) буксы (4) клапана (5), тем самым отверстие в термостатическом клапане перекрывается и поток теплоносителя уменьшается.

Тепло не поступает в радиатор и следовательно температура в помещении не растет.

Бренд HERZ предлагает несколько видов термостатических клапанов для подключения к радиаторам:

TS-90 – простой клапан для двухтрубных систем,

TS-90-V– клапан со скрытой предварительной гидравлической настройкой,

TS-98-V – клапан с открытой предварительной гидравлической настройкой,

TS-E – клапан с увеличенным проходом для однотрубных и гравитационных систем,

Calis-TS – 3х ходовой клапан для систем с байпасом

Термостатический клапан HERZ TS-90 

 

Простейший из термостатических клапанов для двухтрубных систем –  TS-90 — клапан без предварительной настройки; при смонтированной термостатической головке пропускная способность клапана варьируется в пределах от 0 до 1 м3/час. Для того чтобы гидравлически увязать радиаторы на одной ветке, в паре с таким клапаном на подаче следует применять запорно-регулирующий вентиль RL-5 на обратке.

Термостатический клапан HERZ TS-98-V

Клапаны TS-90-V и TS-98-V имеют возможность предварительной гидравлической настройки: посредством муфты, внутри которой ходит шток клапана, можно задать максимальное значение пропускной способности, тем самым, ограничив расход теплоносителя через радиатор.             Отличие клапанов TS-90-V и TS-98-V состоит в способе преднастройки: у первого она скрытая, у второго — открытая.

Термостатический клапан HERZ TS-90-V

Скрытая преднастройка осуществляется при помощи специального ключа 1680967, что защищает систему от несанкционированного вмешательства и, как следствие, от разрегулировки системы.

           Использовать данные клапаны рекомендуется в жилищном строительстве, где высок риск вмешательства жильцов в гидравлическую увязку на стояках.

Термостатический клапан HERZ TS-E

Для термостатирования в однотрубных системах отопления служит TS-E — клапан с увеличенным проходом. Диапазон пропускной способности у клапана составляет от 0 до 5,1 м3/час, что позволяет использовать его в безнапорных системах.

          Совместно с клапаном рекомендуется использовать термоголовку 1726200, которая предусматривает увеличенный ход штока клапана при термостатировании, что приводит к увеличению процента затекания теплоносителя в прибор отопления.

Можно ли использовать в однотрубной системе отопления клапаны для двухтрубной системы, ведь они дешевле?

Термостатические клапаны для двухтрубной системы не рекомендуется использовать в однотрубной т.к. у клапанов для двухтрубной слишком маленькое отверстие для прохода теплоносителя, и возможна ситуация когда весь теплоноситель пойдет в байпас, минуя радиатор.Линейка продукции Герц затрагивает не только новое строительство, но также и модернизацию существующих систем отопления. Например, для регулирования температуры помещения в системах с однотрубной стояковой разводкой с использованием байпаса могут применяться трехходовые клапаны HERZ.

Термостатический клапан HERZ Calis TS

Клапан Calis-TS осуществляет регулирование и распределение теплоносителя в узле «прибор-байпас» следующим образом: если температура в помещении достигла заданного уровня (выставляется на термоголовке), то поток теплоносителя направляется в байпас, как только температура упала — байпас перекрывается (но не полностью) и основной поток устремляется в прибор отопления.        Установка клапанов Calis-TS в существующую систему отопления (при этом, не меняя трубы, радиаторы, прочую арматуру) позволяет добиться значительной экономии тепла в отдельно взятом здании.

Клапан нижнего подключения для секционных радиаторов

Что нужно вставить в батарею для того что бы проще всего поменять подачу снизу в верх батареи отопления.

Проблемы завоздушивания радиаторов возникают при очень интенсивном транзитном течении теплопотока – эффект флейты. Например если по классической “ленинградке” – (однотрубная система отопления) прогонять большое количество очень горячего теплоносителя.  при этом  закроем нижний кран находящийся снизу на обратке радиатора, закрыть. Это необходимо для объяснения эффекта “флейты” Вот как только мы закрыли обратный кран на батарее однако это может быть и не кран а какое, нибудь соединение – фиттинг для подключения в котором будет существовать довольно узкий диаметр внутреннего сечения например, главное что бы основной поток в ветке отопления мог захватывать обратный поток по принципу эджектора.  Очень распространены случаи завоздушивания радиаторов при седельных схемах подключения.

 

 

 

То почему именно при седельном подключении – (низ низ)  радиаторы начинают работать как сборщики воздуха. И на, таких радиаторах, уже краном маевского будет трудно отделаться.  Придется устанавливать автоматический воздухоотводчик для того что бы он постоянно сбрасывал постоянно собирающийся в радиаторах отопления воздух.

Смотрите видео о завоздушиваниях седельной или лежаковой ветке отопления.

Конечно требование заказчика может быть однозначным – хочу подключение к радиатору снижу и все тут. . Но не стоит доказывать что это неправильное подключение. Лучше просто повнимательнее разобраться во всех вариантах нижнего подключения радиаторов отопления и понять что не все радиаторы подключенные снизу являются седельно подключенными. Например  панельные радиаторы имеют нижнее подключение которое не является седельным/лежавковым из за того что подача в конструкции панельного радиатора выполнена сверху через скрытую внутри радиатора медную трубочку.

 

 

Обычно в седельную схему подключают секционные радиаторы у которых подводы туб находятся по бокам. Так в ерхние футорки скручивают с одной стороны пробку с другой стороны кран маевского а снизу вход и выход.

 

 

Такое седельное подключение будет завоздушивать батарею до тех пор пока специальной пробочкой поток теплоносителя не поднять наверх.  Для этого нам понадобится клапан нижнего подключения радиатора. Который не только предотвратит завоздушивание батареи отопления но и увеличит теплоотдачу на 25%!

Вот он этот клапан нижнего подключения.

 

Функция у него такая что бы полностью перекрывать транзитный поток движущийся по низу рдзиатора, перенаправить в верхнюю область батареи для того что бы как говорилось она не завоздушивалась и хорошо прогревала.  Так как это показано на видео.

 

Вопрос правильного и в то же время эстетичного подключения радиатора достаточно популярен среди тех кто озабочен монтажом отопления в квартире. Возможно так же покажется интересным материал о том как установить удлинитель теплового потока внутрь радиатора полезно  при боковом подключении.

      Рекомендации

Почему шумит батареяМастер водовед

07 марта 2013г.

Написать эту статью побудило, по банальной казалось на первый взгляд  причине. Последнее время часто пишут о том, что шумят батареи отопления в квартире.

Мы попробовали разобраться лишь в нескольких случаях, так как все они уникальны и, как правило, требуют подробного разбирательства.

Почему шумят батареи отопления

термо клапан

устройство клапана RTD-N

При замене приборов отопления стали применять радиаторный терморегулятор, который состоит из двух частей, одна из которых это термоклапан.

Клапаны радиаторных терморегуляторов бывают двух типов:

•  RTD-N (для двухтрубных насосных систем отопления)
•  RTD-G (для однотрубных насосных и двухтрубных гравитационных систем)

Клапан RTD-N повышенного гидравлического сопротивления с монтажной настройкой бывают прямые и угловые. Устройство регулировки представляет собой дросселирующий цилиндр,связанный с поворотной коронкой.

Регулирующая коронка

 Разные положения коронки и цилиндра соответствуют значениям пропускной способности теплоносителя через клапан терморегулятора.

На коронке нанесены цифры положений настоечного элемента и выставлены против сверления

 На корпусе клапана. Настройка производится без какого-либо инструмента.

В случае засорения клапана  настройки достаточно повернуть настроечную коронку до положения N- и клапан промоется водой.

Регулировка проходного сечения

Клапан RTD-G пониженного гидравлического сопротивления без устройства для ограничения пропускной способности, производится  без регулировки  сечения.

Конвекторы отопления и стальные панельные радиаторы комплектуются клапанами терморегуляторов как для двухтрубной, так и для однотрубной системы отопления. Остальные приборы отопления с этими терморегуляторами работают только с двухтрубной системой.

Поэтому делаем вывод, если у вас до замены радиатора не было шума, а после установки термо клапана появился, значит:

1. Смотрим маркировку термо клапана.
2. Направление движения теплоносителя.
3. Регулировку проходного сечения в клапане.
4. Термо клапан должен стоять строго на подаче теплоносителя.

Но по опыту работ наши наблюдения показали, что при однотрубной горизонтальной разводке требуется устанавливать, радиаторные  терморегуляторы с проходными регулирующими клапанами пониженного гидравлического сопротивления.

Шум батарей с  насосной циркуляцией

Еще шум в приборах отопления может происходить из-за неправильной подборки насоса отопления, что приводит к сильному гидравлическому сопротивлению в системе отопления.

Чтобы обеспечить бесшумную работу водяной системы отопления с насосной циркуляцией, скорость движения теплоносителя не должна превышать: в трубопроводах, прокладываемых в основных помещениях жилых зданий, при условных проходах труб 10, 15 и 20 мм и более соответственно 1,5; 1,2 и 1 м/с; в трубопроводах, прокладываемых во вспомогательных помещениях жилых зданий — 1,5 м/с; в трубопроводах, прокладываемых во вспомогательных зданиях — 2 м/с.

И в заключении хотелось отметить что  правильный подбор оборудования дает хорошие результаты!

Понимание теплового разгона – и решения для разработки более безопасных аккумуляторов

Согласно классическому телешоу The Jetsons, мы всего в четырех десятилетиях от управления летающими автомобилями. Хотя это может быть научной фантастикой, эпоха электронных транспортных средств (электромобилей) намного более реалистична. С 2019 по 2020 год мировой рынок электромобилей увеличился на 43% и в процессе этого достиг отметки в 10 миллионов запасов. Учитывая, что этот рост произошел во время пандемии COVID-19, можно с уверенностью сказать, что будущее за электромобилями уже наступило.

Одним из ключевых факторов роста и массового внедрения электромобилей среди потребителей являются достижения в области аккумуляторных технологий. Современные аккумуляторы (и, следовательно, автомобили) обладают большей емкостью, увеличенным запасом хода, улучшенными характеристиками двигателя и более быстрой зарядкой. Однако одним из недостатков мощных аккумуляторов, который может представлять проблему при проектировании – и даже потенциальную угрозу безопасности, – является тепловой разгон.

Что такое тепловой разгон?

Термический разгон (сокращенно TR) – это явление, которое может повлиять на системы аккумулирования энергии, включая литий-ионные (Li-ion) батареи и кислотные батареи с регулируемым клапаном (VRLA).Опасное состояние возникает, когда внутри одной из ячеек батареи быстро повышается температура. Избыточное тепло в сочетании с более низким внутренним сопротивлением зарядному току позволяет температуре еще больше повышаться и влиять на другие элементы. Этот шаблон будет повторяться до тех пор, пока аккумулятор не будет извлечен или не выйдет из строя – отсюда и «побег» из-за теплового разгона.

Несколько факторов могут повлиять на тепловой разгон, в том числе:

• Высокая температура окружающей среды
• Возраст батареи
• Чрезмерное напряжение плавающего заряда
• Перегрузка

Риски теплового разгона

Как только начинается процесс теплового разгона, очень маловероятно, что это состояние прекратится само по себе.Если температура повышается и не рассеивается эффективно, неизбежным результатом будет перегрев аккумулятора. Высокая температура вызовет значительный ущерб аккумуляторной батарее и ее отсеку. В некоторых случаях из аккумулятора могут протекать токсичные химические вещества или газ.

Помимо повреждения аккумуляторной батареи, тепловой выход из-под контроля представляет серьезный риск для пользователей продукта и окружающей среды, включая внезапный отказ системы и опасные события, такие как пожар или взрывы. В то время как традиционные автомобили внутреннего сгорания также могут столкнуться с этими опасными ситуациями, пожары с электромобилями могут быть более серьезными.Поскольку электромобили являются более новой технологией, проблемы с электромобилями также привлекают больше внимания средств массовой информации и могут нанести вред репутации компании.

Устранение и предотвращение теплового разгона

Исходя из опасностей и затрат, связанных с тепловым разгоном, неудивительно, что предотвращение является главным приоритетом для производителей электромобилей и регулирующих органов. Один из подходов к минимизации возможности TR заключается в профилактическом обслуживании, включая регулировку зарядного напряжения, обеспечение надлежащей температуры окружающего воздуха вокруг батареи и замену старых батарей до того, как возникнет вероятность отказа.

У этого подхода к обслуживанию есть два основных недостатка. Во-первых, для работы с этими передовыми аккумуляторами требуется опытный специалист, имеющий соответствующую подготовку и оборудование. Во-вторых, он не отвечает требованиям реального мира, таким как обеспечение более быстрой зарядки для ускорения внедрения электромобилей.

К счастью, существуют эффективные решения для управления температурным режимом, которые можно включить в конструкцию аккумуляторной системы. Между двумя компонентами может быть вставлен термоинтерфейсный материал для улучшения теплового взаимодействия.Эти материалы подходят для отсрочки начала теплового разгона и обладают такими характеристиками, как устойчивость к высоким температурам, тонкий и легкий форм-фактор и гибкость.

Например, существуют токопроводящие ленты и прокладки, специально разработанные для защиты от теплового разгона и распространения огня в батареях электромобилей. Эти материалы предназначены для поддержания оптимальных условий и замедления теплового разгона. Кроме того, они были протестированы с использованием высокотемпературного пламени и воздействия металлических частиц, обычно присутствующих во время теплового взлета в батареях электромобилей.

Помимо управления температурой, могут быть разработаны дополнительные решения для повышения безопасности и надежности батарей, в том числе:

• Экранирование от электромагнитных помех
• Защита от размножения
• Уплотнения и прокладки
• Прокладки и накладки
• Диэлектрические барьеры и изоляторы

Преобразование нестандартных материалов для предотвращения теплового разгона

Хотя технология материалов для управления температурой впечатляет, она работает только в том случае, если может точно вписаться в ваш дизайн.Вот тут-то и пригодится ваш партнер по переработке материалов.

В Tapecon мы здесь для того, чтобы помочь вам предотвратить перегрев и повысить производительность и безопасность вашего продукта. Как предпочтительный преобразователь 3M и преобразователь других авторитетных поставщиков материалов, мы можем помочь вам найти лучшие материалы и продукты для управления температурным режимом и других решений для защиты аккумуляторных батарей. Затем наша группа экспертов использует различные методы преобразования для создания компонента, который точно соответствует вашим спецификациям.

Давайте сделаем что-нибудь отличное

Обладая более чем 100-летним производственным опытом, Tapecon работает с производственными группами, чтобы решать проблемы, создавать продукты и улучшать качество жизни. Узнайте больше о наших услугах по переработке материалов на заказ.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея

– обзор

15.4.2 Добавки к отрицательно активному материалу, снижающие выделение водорода на свинцово-углеродном электроде

Потеря воды в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее с клапаном регулируется (VRLA) зависит от скорости выделение водорода, коррозия решеток положительной пластины и окисление углеродных частиц.

Кислород, образующийся на положительных пластинах, диффундирует к отрицательным пластинам и восстанавливается там, тем самым снижая потенциал отрицательных пластин. Следовательно, скорость выделения водорода снижается.

Недавно были проведены обширные исследования, направленные на поиск подходящих добавок к отрицательному активному материалу, которые подавили бы водородную реакцию и сульфатирование отрицательных пластин. На рис. 15.23 показано влияние добавок оксида галлия (Ga ₂ O ₃ ) или оксида висмута (Bi ₂ O ₃ ) к NAM на характеристики батареи [29].

Рисунок 15.23. Перенапряжение водорода при зарядке и напряжение разряда Pb – C электрода батарей, содержащих разное количество (A) Ga ₂ O ₃ или (B) Bi ₂ O ₃ в отрицательной активной массе в зависимости от количества высокопроизводительных циклы частичного состояния заряда [33].

Батарея с 0,01% Ga ₂ O ₃ в NAM, что соответствует 2% Ga ₂ O ₃ в активированном угле, имеет срок службы в три раза дольше, чем у батареи без Ga ₂ O ₃ добавка (рис. 15.23А). Этот уровень загрузки Ga ₂ O ₃ увеличивает перенапряжение при выделении водорода на 120 мВ, что приводит к снижению потерь воды и, следовательно, увеличению срока службы в условиях HRPSoC [33].

Аккумулятор с 0,02% Bi ₂ O ₃ в NAM, что соответствует 4% Bi ₂ O ₃ в активированном угле, снижает скорость выделения водорода и, таким образом, продлевает срок службы аккумулятора. в 2,6 раза по сравнению с аккумулятором без добавки Bi ₂ O ₃ (рис.15.23B) [33].

Добавление оксида индия (In ₂ O ₃ ) к NAM также увеличивает перенапряжение выделения водорода, тем самым снижая скорость реакции водорода и в конечном итоге продлевая срок службы батарей VRLA в цикле HRPSoC [34]. Батареи с 0,02% In ₂ O ₃ в NAM имеют как минимум в четыре раза больший срок службы, чем эталонные батареи без этой добавки. Кроме того, добавка In ₂ O ₃ в NAM подавляет накопление сульфата свинца в отрицательных пластинах и, таким образом, ингибирует их прогрессирующее сульфатирование, облегчая реакцию восстановления сульфата свинца до свинца, т. е.е., улучшает обратимость процессов на отрицательных электродах при включении аккумулятора.

Различные углеродные добавки к NAM в разной степени снижают перенапряжение водорода. Так, например, когда к отрицательному активному материалу добавляются 0,02% углеродной сажи (CB) или 0,5% ацетиленовой сажи (AB), или 2,0% чешуйчатого графита (FG), или 1,5% расширенного графита (EG), повышается водородное перенапряжение. только на 20–30 мВ. Однако добавление 0,5% активированного угля (AC) в NAM снижает поляризацию электрода на 190 мВ, поскольку это значительно увеличивает активную поверхность NAM [35].

Добавление оксидов редкоземельных металлов в электролит увеличивает перенапряжение выделения водорода на отрицательных пластинах, содержащих 0,2% сажи, погруженных в 1,28 мкс. H ₂ SO ₄ раствор, содержащий 0,025% соответствующей добавки. На рис. 15.24A показаны поляризационные кривые выделения водорода на отрицательных пластинах с 0,2% углеродной сажи в NAM в присутствии различных добавок в электролите. Положительное влияние конкретной добавки на замедление реакции выделения водорода указано в следующем порядке:

Рисунок 15.24. Поляризационные кривые выделения водорода на отрицательных пластинах, содержащие: (A) 0,2% технического углерода в отрицательной активной массе (NAM) и 0,025% оксидов редкоземельных элементов в 1,28 с.г. H ₂ SO ₄ раствор и (B) 0,5% активированного угля в NAM и 1,28 s.g. H ₂ SO ₄ раствор, содержащий политетрафторэтилен различной концентрации [35].

Gd ₂ O ₃ > La ₂ O ₃ > Dy ₂ O ₃ > Nd ₂ O ₃ > Sn ₂ O ₃

Эти оксиды растворимы в растворах H ₂ SO ₄ , и ионы редкоземельных металлов адсорбируются на поверхности NAM, таким образом препятствуя диффузии ионов H ⁺ к поверхности и, вероятно, переносу электронов через межфазную границу.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ), добавленный в пасту для отрицательных пластин, увеличивает перенапряжение при выделении водорода. На рис. 15.24В представлены поляризационные кривые реакции водорода в растворах с различными концентрациями ПТФЭ. При содержании ПТФЭ в электролите 0,025% добавка оказывает сильнейшее влияние на катодную поляризацию электрода в результате реакции водорода, когда NAM содержит 0,5% активного углерода [35].

Управление тепловым режимом электромобиля – MATLAB и Simulink – MathWorks 中国

В этом примере моделируется система управления температурой аккумуляторного электромобиля.Система состоит из двух контуров охлаждающей жидкости, холодильного контура и контура вентиляции и кондиционирования кабины. Тепловой нагрузкой являются аккумуляторные батареи, трансмиссия и кабина.

Два контура охлаждающей жидкости можно соединить вместе в последовательном режиме или разделить в параллельном режиме с помощью 4-ходового клапана. В холодную погоду контуры охлаждающей жидкости работают в последовательном режиме, так что тепло от двигателя согревает батареи. При необходимости обогреватель может обеспечить дополнительное тепло. В теплую погоду контуры охлаждающей жидкости остаются в последовательном режиме, а батареи и трансмиссия охлаждаются радиатором.В жаркую погоду контур охлаждающей жидкости переключается в параллельный режим и разъединяется. Один контур охлаждает трансмиссию с помощью радиатора. Другой охлаждает батареи с помощью чиллера в холодильном контуре.

Холодильный контур состоит из компрессора, конденсатора, ресивера жидкости, двух расширительных клапанов, чиллера и испарителя. Чиллер используется для охлаждения охлаждающей жидкости в жаркую погоду, когда одного радиатора недостаточно. Испаритель используется для охлаждения салона автомобиля при включении кондиционера.Компрессор регулируется таким образом, что конденсатор может рассеивать тепло, поглощаемое одним или обоими охладителем и испарителем.

Контур HVAC состоит из нагнетателя, испарителя, нагревателя с положительным температурным коэффициентом и кабины транспортного средства. Нагреватель PTC обеспечивает обогрев в холодную погоду; испаритель обеспечивает кондиционирование в жаркую погоду. Вентилятор регулируется для поддержания заданной заданной температуры в кабине.

В этой модели настроено три сценария. Сценарий ездового цикла имитирует условия вождения при 30 градусах Цельсия с включенным кондиционером.Скорость автомобиля основана на NEDC, после чего следует 30 минут высокой скорости, чтобы увеличить тепловую нагрузку аккумулятора. Сценарий охлаждения имитирует неподвижное транспортное средство в погоду 40 ° C с включенным кондиционером. Наконец, сценарий холодной погоды имитирует условия вождения при температуре -10 ° C, что требует, чтобы нагреватель батареи и нагреватель PTC нагрели батареи и кабину соответственно.

Модель

Подсистема сценария

Эта подсистема устанавливает условия среды и входные данные для системы для выбранного сценария.Потребляемый ток аккумуляторной батареи и тепловая нагрузка трансмиссии зависят от скорости транспортного средства на основе табличных данных.

Подсистема управления

Эта подсистема состоит из всех контроллеров для насосов, компрессора, вентилятора, нагнетателя и клапанов в системе управления температурой.

Подсистема клапана параллельного-последовательного режима

4-ходовой клапан в этой подсистеме управляет тем, работает ли контур охлаждающей жидкости в параллельном или последовательном режиме. Когда порты A и D подключены, а порты C и B подключены, он находится в параллельном режиме.Два контура охлаждающей жидкости разделены собственными баками охлаждающей жидкости и насосами.

Когда порты A и B подключены, а порты C и D подключены, он находится в последовательном режиме. Два контура охлаждающей жидкости объединены, и два насоса синхронизированы для обеспечения одинаковой скорости потока.

Подсистема насоса с двигателем

Этот насос приводит в действие контур охлаждающей жидкости, который охлаждает зарядное устройство, двигатель и инвертор.

Подсистема зарядного устройства

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг зарядного устройства, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема двигателя

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг двигателя, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема инвертора

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг инвертора, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема радиатора

Радиатор представляет собой теплообменник прямоугольной формы с ребрами и трубами, который отводит тепло охлаждающей жидкости в воздух. Воздушный поток управляется скоростью автомобиля и вентилятором, расположенным за конденсатором.

Подсистема перепускного клапана радиатора

В холодную погоду радиатор обходится, так что тепло от трансмиссии можно использовать для нагрева аккумуляторов. Это контролируется 3-ходовым клапаном, который либо направляет охлаждающую жидкость к радиатору, либо в обход радиатора.

Подсистема аккумуляторного насоса

Этот насос приводит в действие контур охлаждающей жидкости, который охлаждает аккумуляторные батареи и преобразователь постоянного тока в постоянный.

Подсистема чиллера

Предполагается, что чиллер представляет собой теплообменник кожухотрубного типа, который позволяет хладагенту поглощать тепло от хладагента.

Подсистема перепускного клапана чиллера

Чиллер работает в двухпозиционном режиме в зависимости от температуры батареи. Это контролируется 3-ходовым клапаном, который либо направляет хладагент в чиллер, либо в обход чиллера.

Подсистема нагревателя

Нагреватель батареи моделируется как источник расхода тепла и тепловая масса. Включается в холодную погоду, чтобы температура батареи не превышала 5 градусов Цельсия.

Подсистема DCDC

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг преобразователя постоянного тока в постоянный, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема батарей

Батареи моделируются в виде четырех отдельных блоков, окруженных рубашкой охлаждающей жидкости. Батарейные блоки вырабатывают напряжение и тепло в зависимости от текущего потребления. Предполагается, что охлаждающая жидкость течет в узких каналах вокруг аккумуляторных блоков.

Пакет 1 Подсистема

Каждый аккумуляторный блок моделируется как набор литий-ионных элементов, соединенных с тепловой моделью. Тепло генерируется за счет потерь мощности в ячейках.

Подсистема компрессора

Компрессор управляет потоком в контуре хладагента.Он регулируется для поддержания давления 0,3 МПа в охладителе и испарителе, что соответствует температуре насыщения около 1 ° C.

Подсистема конденсатора

Конденсатор представляет собой теплообменник прямоугольной формы с трубчатыми ребрами, который отводит тепло хладагента в воздух. Воздушный поток управляется скоростью автомобиля и вентилятором. Ресивер жидкости обеспечивает хранение хладагента и пропускает только переохлажденную жидкость в расширительные клапаны.

Подсистема расширительного клапана чиллера

Этот расширительный клапан измеряет поток хладагента в чиллер для поддержания номинального перегрева.

Подсистема расширительного клапана испарителя

Этот расширительный клапан измеряет поток хладагента в испаритель для поддержания номинального перегрева.

Подсистема испарителя

Испаритель представляет собой теплообменник прямоугольной формы с ребрами и трубами, который позволяет хладагенту поглощать тепло из воздуха. Он также осушает воздух, когда он влажный.

Подсистема нагнетателя

Нагнетатель управляет потоком воздуха в контуре ОВК. Он контролируется для поддержания заданной температуры в кабине.Источником воздуха может быть окружающая среда или рециркулируемый воздух кабины.

Подсистема рециркуляционной заслонки

Рециркуляционная заслонка моделируется как два ограничения, действующие противоположным образом, чтобы пропускать воздух из окружающей среды или кабины к воздуходувке.

Подсистема PTC

Нагреватель PTC моделируется как источник расхода тепла и тепловая масса. Его включают в холодную погоду для обогрева кабины автомобиля.

Подсистема кабины

Кабина автомобиля моделируется как большой объем влажного воздуха.Каждый пассажир в автомобиле является источником тепла, влаги и CO2.

Подсистема теплопередачи кабины

Эта подсистема моделирует тепловые сопротивления между внутренней частью кабины и внешней средой.

Результаты моделирования с осциллографами

В следующем осциллографе показаны скорость автомобиля, тепловыделение, температура кабины, температуры компонентов и команды управления для сценария ездового цикла. Вначале контур охлаждающей жидкости находится в последовательном режиме. Примерно через 1100 с он переключается в параллельный режим, и чиллер используется для поддержания температуры батарей ниже 35 ° C.

Результаты моделирования от Simscape Logging

Этот график показывает мощность, потребляемую системой управления температурой для охлаждения компонентов транспортного средства и кабины. Наибольшее потребление энергии происходит в компрессоре хладагента, когда чиллер используется для охлаждения батарей.

Управление температурным режимом для предотвращения отказов литий-ионных аккумуляторных батарей в электромобилях: обзор и важные будущие аспекты – Асвин Картик – 2020 – Хранение энергии

1 ВВЕДЕНИЕ

Литий-ионные батареи – это вторичные батареи, которые широко используются в электромобилях, мобильных телефонах, электрических часах и т. Д.Они выделяются среди других аккумуляторов высокой плотностью энергии, низким саморазрядом, высоким выходным напряжением и хорошей стабильностью.1 Они доступны в различных составах (Таблица 1) 2 и формах, таких как цилиндрические, призматические, мешочки и монеты. Цилиндрические, призматические и карманные литий-ионные элементы обычно используются в электромобилях с батарейным питанием. Электрохимические реакции литий-ионного элемента во время зарядки / разрядки аккумулятора, как показано в уравнении 1 3 обусловлены реакцией интеркаляции лития и изображены на рисунке 1.(1) Таблица 1. Характеристики литий-ионных аккумуляторов различных составов ( Имеет индекс производительности по возрастающей шкале от 1 до 5)

Анод / катод	Удельная энергия	Удельная мощность	Напряжение разряда	Термическая стабильность	Безопасность	Срок службы	Стоимость / цикл
C / LiCoO 2	5	3	5	3	3	3	3
C / LiMn 2 O 2	4	4	4	3	4	3	3
C / LiFePO 4	3	4	2	4	4	4	4
LTO / LiCoO 2	3	4	3	4	5	4	5
LTO / LiFeO 4	2	3	1	5	5	5	5

Схема литий-ионного аккумулятора с указанием принципа его работы

Основная проблема, связанная с литий-ионными аккумуляторами, заключается в том, что во время процесса зарядки / разрядки аккумулятор выделяет много тепла, что вызывает повышение температуры аккумуляторного блока, особенно в случае более высоких условий эксплуатации.4 Тепло возникает в результате электрохимических реакций, смешения и фазового перехода5, происходящих в литий-ионном элементе. Тепло также генерируется из-за теплового эффекта Джоуля. Батарейный блок, используемый в электромобилях, состоит из батарейных модулей, и каждый модуль состоит из большого количества элементов / батарей, соединенных последовательно и параллельно, которые устанавливаются в ограниченном пространстве. Тепло, генерируемое из-за внутреннего сопротивления и электрохимических реакций внутри ячеек при высокой скорости разряда, не может быть немедленно отведено в окружающую среду самостоятельно и накапливается в модулях, что приводит к резкому скачку температуры аккумуляторов и термической нестабильности в модуле6, и это тот же сценарий при высокой скорости зарядки.Если температура батареи повышается, скорость разрушения батареи увеличивается экспоненциально, 7, 8 срок службы батареи уменьшается9 и может привести к тепловому разгоне.10 Следовательно, охлаждение батарей важно для поддержания батарей в определенном температурном диапазоне, который представлен в Рисунок 2.

Пределы безопасной эксплуатации при температуре, предложенные различными исследователями

Другой проблемой является неравномерное распределение температуры в аккумуляторном блоке 10, 11, которое происходит из-за дефекта производителя и неоднородности элемента.Неравномерное распределение температуры значительно сокращает срок службы12. Условия окружающей среды играют решающую роль в работе батарей. Таблица 2 кратко описывает сценарий при низких и высоких рабочих условиях.

Таблица 2. Условия работы аккумуляторной батареи

	Состояние аккумулятора
	Высокая температура	Низкая температура
Эффекты	Быстрое и неконтролируемое высвобождение накопленной энергии (тепловой разгон) Разложение электролита и утолщение пленки SEI	Сопротивление аккумулятора увеличивается Низкая скорость реакции Формирование пленки SEI Ухудшение свойств электрода и электролита
Удары	Мощность замирание Снижение производительности Старение Проблемы безопасности Девальвация жизненного цикла	Малая мощность Неисправность аккумулятора Снижение производительности Емкость градиента
Средства правовой защиты	Охлаждение аккумулятора Регулировка быстрой зарядки и быстрой разрядки Предотвратить короткое замыкание Минимизация вибраций	Предварительный нагрев аккумулятора Разработка новых электродов и электролитов

Для смягчения тепловых проблем в БП, используемых в электромобилях, используются различные методы внутреннего охлаждения, такие как модификация электролита, оптимальная конструкция электрода и т. Д.были разработаны. Помимо оптимальной конструкции электрода внутри элемента, чтобы минимизировать тепловыделение12, 13, требуется система управления температурой вне аккумуляторной батареи, чтобы предотвратить быстрое повышение температуры элемента за счет своевременного удаления тепла, образующегося во время процессов зарядки и разрядки. Следовательно, для устранения вышеупомянутых проблем необходима система терморегулирования аккумуляторной батареи.

Решение тепловых проблем было первоочередной задачей при разработке BTMS, и поэтому полезность отходящего тепла, удаляемого из аккумуляторной батареи, полностью игнорировалась.Помимо систем охлаждения на основе PCM, в которых накопленное скрытое тепло можно использовать для нагрева батареи в холодных условиях окружающей среды, только несколько исследований14, 15 были сосредоточены на использовании тепла, отводимого от аккумуляторов.

В этой статье собраны различные тепловые проблемы, связанные с литий-ионными аккумуляторными блоками, и различные методы управления температурой, принятые для решения этих проблем. Исследователи подчеркнули некоторые критические пробелы в исследованиях, такие как рекуперация и утилизация отходящего тепла.В этой статье основное внимание уделяется методикам охлаждения и работе BTMS. Кроме того, ближе к концу обзора был добавлен раздел, посвященный нагреву батарей и его последствиям.

СИСТЕМА ТЕПЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ 2 АККУМУЛЯТОРАМИ (BTMS)

BTMS включает программное обеспечение, оборудование и другую атрибутику. Для повышения эффективности без ущерба для надежности неизбежна киберфизическая перспектива управления батареями.16 Основная цель BTMS – поддерживать температуру аккумуляторных элементов в батарее в оптимальном диапазоне17, поддерживая температурный градиент в относительно узком диапазоне. .18 Это помогает продлить срок службы батареи, обеспечивая при этом безопасность и надежность батареи.19 На рисунке 3 показаны основные функции BTMS. Некоторые из других обширных функций BTMS – это защита ячеек, управление зарядом, оценка и мониторинг SOH (состояние здоровья) / SOC (состояние заряда), балансировка ячеек и интерфейс.2

Схема основных функций BTMS. BTMS, система терморегулирования аккумуляторной батареи

Известными BTMS, принятыми в электромобилях, являются BTMS воздушного базирования, жидкостное BTMS и BTMS на основе фазового перехода.Эти системы могут быть объединены в гибридную систему.

2.1 Воздушное охлаждение на базе BTMS

Технологии воздушного охлаждения являются одним из наиболее часто используемых подходов к охлаждению аккумуляторов и широко используются в электронике и транспортных средствах из-за своей низкой стоимости и простоты установки.20

Fan et al21 исследовали влияние расстояния между зазорами и скорости воздушного потока для модуля литий-ионной батареи с воздушным охлаждением и обнаружили, что повышение температуры может быть снижено за счет уменьшения зазора между соседними ячейками, а однородность температуры может быть улучшена за счет увеличения потока. скорость с умеренным интервалом.Park22 использовал конический коллектор и вентиляцию сброса давления в системе принудительного воздушного охлаждения, чтобы улучшить охлаждающую способность системы без изменения конструктивной схемы. Xun et al23 разработали многомерную численную модель и аналитическую модель для плоских пластинчатых и цилиндрических литий-ионных аккумуляторных батарей с воздушным охлаждением и показали, что лучшая эффективность охлаждения и более равномерное распределение температуры достигаются за счет противоточного расположения аккумуляторных батарей. охлаждающий канал или частым изменением направления потока в противоточном устройстве.Yu et al11 разработали интегрированную систему управления тепловым потоком, состоящую из двух независимых воздуховодов. Один канал предназначен для охлаждения аккумуляторов, а другой – для минимизации накопления тепла в середине аккумуляторного блока за счет струйного охлаждения. Результаты моделирования и экспериментов показали, что максимальная температура снизилась до 33,1 ° C по сравнению с 42,3 ° C при использовании традиционного метода охлаждения, а однородность температуры аккумуляторной батареи значительно улучшилась. Ян и др. [24] разработали псевдо-2D модель литий-ионной батареи и изучили влияние радиального интервала между элементами и воздушного потока на тепловые характеристики системы воздушного охлаждения с осевым потоком.Результаты показывают, что увеличение радиального интервала приводит к небольшому повышению температуры, но улучшает однородность температуры аккумуляторной батареи. Соу и др. 25 провели экспериментальные и численные исследования системы принудительного воздушного охлаждения, которая будет использоваться в электромобилях. Результаты показали, что с увеличением расхода воздуха коэффициент теплоотдачи и перепад давления увеличиваются. Се и др. 26 изучили влияние угла входа воздуха, угла выхода воздуха и ширины каналов для воздушного потока на тепловые характеристики системы принудительного воздушного охлаждения.На рисунке 4 показана имитационная модель, использованная в этом исследовании. Чен и др. 27 изучили влияние рабочих параметров и структурных параметров на характеристики охлаждения BTMS. Был сделан вывод, что производительность BTMS может быть улучшена за счет организации схемы потока в системе, в которой изменение углов пленумов является одним из наиболее эффективных подходов к снижению повышения температуры и температурной неоднородности BP без увеличения по потребляемой мощности и громкости BTMS.Лу и др. 28 разработали трехмерную модель аккумуляторного блока, состоящего из ячеек, расположенных в шахматном порядке, и обнаружили, что, когда воздухозаборник и выпускное отверстие расположены в верхней части аккумуляторного блока, а расположение большего количества батарей вдоль направления потока дает наилучшие результаты. тепловые характеристики. Лю и Чжан29 провели суррогатную оптимизацию на воздушной системе BTMS J-типа, которая может работать как системы типа U или Z, управляя выпускными клапанами, и показали, что неравномерный размер каналов и коническая конфигурация коллектора улучшают тепловые характеристики в Дж. тип конфигурации.

Аккумулятор системы воздушного охлаждения имитационной модели 26

Mohammadian и Zhang30 исследовали эффекты частичного использования металлических (алюминиевая пена) и неметаллических (керамическая пена) материалов в литий-ионном аккумуляторном модуле с воздушным охлаждением и показали, что эта комбинация обеспечивает значительное снижение температуры и высокую однородность температуры. В другом исследовании31 было показано, что синергизм алюминиевых ребер-штифтов и пористой алюминиевой пены, полностью вставленной в проточный канал, обеспечивает улучшение как снижения температуры, так и температурной однородности ячеек.

Сефидан и др. 32 разработали гибридную стратегию охлаждения, в которой цилиндрический литий-ионный элемент погружается в тонкий цилиндрический резервуар, содержащий наножидкость вода-оксид алюминия. Принудительный поток воздуха используется для отвода тепла, рассеиваемого батареей в процессе разряда. Вэй и Агелин-Чааб33 предложили гибридную конструкцию охлаждения, основанную на воздуховоде, которому способствует испарение воды посредством конвекции для улучшения отвода тепла от батареи. Серия гидрофильных волоконных каналов, содержащих водяной хладагент, подвергается воздействию охлаждающей жидкости с принудительной подачей воздуха для отвода скрытого тепла от батареи.Результаты экспериментов показали, что гибридная система охлаждения смогла снизить максимальную среднюю температуру поверхности батарей на 73,5% и неравномерность температуры на 85,7% по сравнению со случаем без охлаждения.

Wang et al34 экспериментально изучили активный контроль управления температурой призматической литий-ионной аккумуляторной батареи. Результаты показали, что простая стратегия двухпозиционного управления может эффективно снизить паразитное энергопотребление.

Для получения оптимальной конструкции аккумуляторной батареи с целью улучшения ее тепловых характеристик были приняты различные стратегии оптимизации, такие как оптимизация роя частиц для нескольких целей (MOPSO) 35, многопрофильная оптимизация конструкции на основе суррогатов36.

2.2 Жидкостное охлаждение на базе BTMS

Системы воздушного охлаждения эффективно справляются с тепловым управлением аккумуляторных блоков, работающих при низких скоростях зарядки / разрядки и номинальных условиях окружающей среды.Однако в более высоких рабочих условиях, таких как высокая зарядка / разрядка, высокая температура окружающей среды и т. Д., Системы воздушного охлаждения не могли поддерживать аккумулятор в желаемом диапазоне рабочих температур.37 По сравнению с системой воздушного охлаждения система жидкостного охлаждения предлагает лучшую охлаждающую способность для аналогичная паразитная нагрузка.38 Известно, что для данного массового расхода объемный расход и средний коэффициент теплопередачи воды намного лучше, чем у воздуха. Жидкостные системы очаровали исследователей своей эффективностью охлаждения по сравнению с системами воздушного охлаждения, однако необходимо учитывать сложность системы и проблему утечки охлаждающей жидкости.39

Жидкие БТМС можно моделировать двумя разными способами: во-первых, как системы прямого охлаждения39, 40, в которых модуль батареи погружен в диэлектрическую жидкость, и, во-вторых, как системы непрямого охлаждения41, 42, в которых жидкость отделяется от батареи через рубашку / дискретные трубки / холодные пластины рядом с аккумуляторным модулем, где тепло, отводимое от аккумуляторов, передается рабочей жидкости за счет теплопроводности и конвекционного / проточного кипения.

Различные исследователи работали над дизайном схемы расположения каналов систем жидкостного охлаждения и определили, что жидкостное охлаждение по сравнению с воздушным охлаждением и охлаждением PCM может обеспечить более эффективную теплопередачу при различных схемах расположения каналов.43, 44 Huo et al45 разработали BTMS на основе мини-канальной охлаждающей пластины и показали, что максимальная температура батареи снижается с увеличением количества каналов и массового расхода на входе. Цянь и др. 46 разработали трехмерную численную модель мини-канальной холодной пластины и обнаружили, что эффективность охлаждения увеличивалась с увеличением количества каналов до предела в пять каналов, а повышение температуры и температурная неравномерность БП уменьшались при увеличении массовый расход, но за счет потребления энергии.

Для повышения безопасности жидкостного охлаждения в электромобилях при использовании воспламеняющихся хладагентов, таких как Dexcool, обязательно избегать прямого контакта между аккумулятором и хладагентом. Басу и др. 47 разработали стратегию охлаждения канала, показанную на рис. 5, с использованием высокопроводящих проводящих элементов, которые действуют как разделитель между батареей и хладагентом. Этот метод оказался эффективным в борьбе с неоднородностью упаковки. Соблюдение этих методов могло бы сократить количество датчиков и сложность системы управления BTMS.

Схема БТМС с жидкостным охлаждением и токопроводящими элементами. 47 БТМС, система терморегулирования аккумуляторной батареи.

Рао и др. 48 провели численные исследования жидкостного управления температурой для цилиндрического литий-ионного аккумуляторного модуля с переменной контактной поверхностью и обнаружили, что однородность температуры модуля улучшена по сравнению с постоянной контактной поверхностью.

Следует отметить, что, по сравнению с однофазной конвекционной теплопередачей, теплопередача при проточном кипении имеет более высокий коэффициент теплопередачи и обеспечивает меньшее повышение температуры в ячейках.49 Хирано и др. 40 применили метод кипячения в BTMS и обнаружили, что максимальная температура аккумуляторной батареи может поддерживаться около 35 ° C даже при скорости разряда 20 ° C. Со и др. 50 провели экспериментальные и численные исследования тумана. Управление температурой на основе охлаждения для аккумуляторной батареи и выявление того, что охлаждение туманом может обеспечить более низкую максимальную температуру и меньшую неравномерность температуры по сравнению с системой охлаждения сухим воздухом.

Аль-Зарер и др. 15, 51 предложили системы управления температурой на основе жидкого аммиака15 и жидкого пропана51 для гибридных электрических транспортных средств (HEV), в которых батареи частично погружены в бассейн с жидким аммиаком и пропаном.Бассейн кипит за счет тепла, рассеиваемого частью поверхности батареи, контактирующей с ней, тем самым охлаждая поверхность батареи и, в конечном итоге, образуя пары аммиака / пропана, которые охлаждают непогруженную часть батареи за счет принудительной конвекции. Образующийся пар также проходит к электрическому генератору транспортного средства, где он используется либо для привода транспортного средства, либо для зарядки аккумуляторов. В другом исследовании Аль-Зарер и др. 52 предложили BTMS на основе холодных пластин с использованием жидкого аммиака в HEV для охлаждения батарей, а также для выработки электроэнергии.Эти системы обладают лучшими тепловыми характеристиками, чем BTMS на основе воздуха, жидкости или PCM.53 Другие хладагенты, используемые для BTMS при кипении в бассейне, включают хладагент R134 a.54

Ван и др .55 предложили комбинированную систему принудительного внутреннего газового и жидкостного охлаждения (на основе холодных пластин) для космических батарей. Система охлаждения и процесс охлаждения изображены на рисунке 6. Анализ CFD показал, что повышение температуры и неоднородность температуры аккумуляторной батареи уменьшились по сравнению с традиционным вакуумным охлаждением аккумуляторной батареи с помощью охлаждающей пластины, а также однородность температуры Аккумуляторная батарея может быть дополнительно улучшена за счет увеличения скорости потока в холодной пластине при более высокой температуре на входе.Однако эффективность комбинированных систем была выше, когда либо большой вентилятор (радиус = 300 мм) размещался вверху, либо небольшой вентилятор (радиус = 150 мм) размещался внизу, при более высокой температуре охлаждающей жидкости на входе и более высокой турбулентности. напряженность газового месторождения.

Концепция комбинированного газового и жидкостного охлаждения космической батареи55

Управление охлаждением на основе наножидкостей обеспечивает легкое и эффективное охлаждение аккумуляторов.56 Тран и др. 56 предложили систему охлаждения, использующую углеродные нанотрубки, взвешенные в дистиллированной воде, которые создают наножидкостную среду для литий-ионных аккумуляторов в космосе. Чен и др .57 сравнили четыре стратегии охлаждения: воздушное охлаждение, прямое жидкостное охлаждение, непрямое жидкостное охлаждение и ребристое охлаждение для литий-ионной аккумуляторной ячейки. Было обнаружено, что система воздушного охлаждения имеет более высокую паразитную нагрузку для поддержания той же средней температуры; система охлаждения с ребрами требует дополнительных 40% веса элемента, учитывая одинаковый объем для всех систем; а система непрямого жидкостного охлаждения имеет самый низкий максимальный рост температуры.

2.3 BTMS на основе изменения фазы

Системы жидкостного охлаждения показали лучшее тепловое управление по сравнению с системами воздушного охлаждения при неблагоприятных условиях эксплуатации, однако системы жидкостного охлаждения имеют некоторые недостатки: сложные и громоздкие компоненты, истощение энергии батареи и сложность обслуживания.58 Кроме того, утечка охлаждающей жидкости в Системы жидкостного охлаждения всегда вызывали беспокойство, так как они могут вызвать короткое замыкание, вывести из строя систему охлаждения и в конечном итоге привести к несчастью.Следовательно, существует необходимость в лучшей стратегии охлаждения в BTMS с целью снижения веса, снижения энергопотребления, снижения температуры и достижения более высокой однородности температуры.

В связи с этим различные исследователи использовали методы, связанные с феноменом фазового перехода. БТМС с фазовым переходом бывают двух типов: охлаждение от твердого до жидкостного и охлаждение от жидкости до газа / пара. Первый известен как BTMS на основе материала фазового перехода (PCM). Стратегии охлаждения и испарения воды на основе тепловых трубок считаются последним типом.

В исследованиях, связанных с терморегулированием электронных устройств с использованием PCM, было показано, что PCM работают эффективно.58, 59 Терморегулирование с использованием PCM основано на чрезвычайно высоком эндотермическом плавлении (скрытая теплота плавления) PCM в течение небольшого промежутка времени. диапазон температур, который снижает рост температуры внутри ячеек.60 При охлаждении PCM тепло, генерируемое во время разряда батареи, может сохраняться в виде скрытого тепла в PCM и передаваться обратно в модуль батареи во время релаксации, тем самым поддерживая температуру батареи выше температура окружающей среды, которая может повысить общую энергоэффективность аккумуляторной системы.61

Одна из основных проблем, связанных с модулями PCM, заключается в том, что они обладают низкой теплопроводностью. Этого можно избежать, используя композитные материалы с фазовым переходом (C-PCM). Различные исследователи доказали, что композитные ПКМ, такие как смесь парафин-расширенного графита (ПА-ЭГ), значительно улучшают теплопроводность по сравнению с чистым ПКМ, обеспечивают лучшие тепловые характеристики, чем БТМС на основе воздуха и жидкости, и предотвращают возникновение теплового разгона 62. -65 Потенциал теплоизоляции аккумуляторной батареи имеет большое значение для предотвращения распространения теплового разгона, а способность рассеивания тепла жизненно важна для безопасности аккумуляторной батареи.Следовательно, хороший BTMS должен обеспечивать баланс между ними.66 Для достижения того же Ян и др .66 предложили BTMS на основе композитной платы. Со и др .67 исследовали использование алюминиевой пены в качестве теплоотвода для литий-ионных аккумуляторных ячеек. Предлагаемый метод является многообещающей альтернативой обычным гнутым ребрам или жидкостным холодным пластинам из-за улучшения теплоотдачи, снижения общего веса системы накопления энергии и автономности от площади контактной поверхности. Зоу и др .68 экспериментально сравнили характеристики многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT), графена и композитного PCM MWCNT / графен при терморегулировании литий-ионной аккумуляторной батареи.Результаты показали, что композитный PCM показал хорошую теплопроводность и лучшее регулирование температуры аккумуляторной батареи по сравнению с другими системами.

Предыдущие исследования PCM не фокусировались на оптимальном использовании PCM, что приводило к потерям PCM и требовало дополнительных затрат и веса для BTMS.69-71 Ли и др. 72 предложили метод оптимизации литий-ионного BTMS с использованием композита (EG / PA) PCM для минимизации его массы. Ван и др .69 разработали BTMS с использованием C-PCM, состоящего из 5 мас.% расширенного графита и 95 мас. % парафина (рис. 7) и изучили его тепловые характеристики при различных условиях окружающей среды. Было показано, что средняя температура батареи была меньше при использовании C-PCM, а температура повышалась с увеличением температуры окружающей среды (Рисунок 8).

Конструктивная схема аккумуляторного блока и расположение термопар69 (A) Кривые средней температуры аккумуляторных блоков при 1C, 2C.(B) При разной температуре окружающей среды. (C) Среднее приращение температуры аккумуляторной батареи (BP) после разрядки по сравнению с температурой окружающей среды69

Для повышения эффективности и безопасности терморегулирования на основе PCM разработаны интегрированные гибридные системы PCM. Линг и др .73 заменили пассивное охлаждение на основе композитного PCM RT 44HC / EG на интегрированную активную систему охлаждения PCM и сравнили производительность в обоих случаях. Был сделан вывод, что пассивная система терморегулирования в сочетании с принудительной конвекцией воздуха имеет простую конструкцию, высокую эффективность и надежность.PCM и принудительная воздушная конвекция выполняют разные роли в BTMS – PCM регулируют повышение температуры и однородность температуры в аккумуляторной батарее, в то время как принудительная конвекция воздуха охлаждает PCM в промежутках между двумя циклами разряда, что возвращает скрытое тепло PCM, которое в противном случае теряется, что приводит к выходу из строя BTMS при работе в экстремальных условиях в пассивной системе охлаждения.74

В BTMS на основе PCM следует отметить, что после того, как произошел фазовый переход, доступное скрытое тепло было отведено, тогда регулирование температуры не сработало, что привело к отказу BTMS.74 Система охлаждения на основе PCM может значительно снизить температурные отклонения, но герметизация и изменение объема во время фазового перехода ограничивают ее применение. 48 Системы PCM обладают высокой емкостью хранения тепловой энергии, но обладают недостаточной долгосрочной термической стабильностью. Системы охлаждения на основе тепловых трубок могут быть лучшей альтернативой с точки зрения управления тепловым режимом батареи, срока службы системы и геометрической гибкости.

Тепловые трубки – это теплообменники, которые подходят для использования в управлении температурой центральных процессоров (ЦП) и аккумуляторов электромобилей, благодаря их легкому и компактному размеру, и они не требуют внешнего источника питания.75 Тепловая трубка имеет очень высокую теплопроводность, достаточную долгосрочную термическую стабильность, гибкую геометрию и может поддерживать однородность температуры на поверхности испарителя.38 Чи и Rhi76 разработали нетрадиционную тепловую трубку, известную как колеблющуюся тепловую трубку, для управления температурой литий-ионных аккумуляторов. используется в электромобилях. В этом типе охлаждающая секция тепловой трубы находится внизу, а нагревательная секция вверху, что упрощает обслуживание, а секция нагрева (испаритель) примерно в 10 раз больше секции охлаждения (конденсатора).Основным преимуществом этой системы является то, что она имеет плоский нижний конец по сравнению с правильно изогнутыми концами, что снижает количество тепловых трубок, что, в свою очередь, снижает сложность системы. Оптимизация конструкции тепловых трубок необходима для получения экономичного, компактного и эффективного BTMS. Ye et al77 предложили оптимизированную систему управления тепловым потоком с тепловыми трубками для предотвращения чрезмерного тепловыделения во время быстрой зарядки и других тяжелых сценариев. Цзян и Ку78 разработали тепловую модель для изучения производительности гибридной системы охлаждения, состоящей из PCM и тепловой трубки.Тепловая трубка используется для рекуперации скрытого тепла от PCM, чтобы предотвратить сбой в результате плавления при работе в течение большего количества циклов. Было обнаружено, что такие критерии, как температура плавления PCM, коэффициент теплопередачи на участке конденсации и соотношение толщины, играют жизненно важную роль в безопасности батареи при более длительной эксплуатации. Дэн и др .79 разработали эквивалентную модель сопротивления массива микротепловых трубок (MHPA) BTMS для изучения теплового поведения литий-ионных батарей, работающих в неблагоприятных условиях.MHPA обеспечивает большую площадь теплопередачи по сравнению с обычными тепловыми трубками цилиндрической формы. Эта система имеет такие преимущества, как высокие тепловые характеристики, легкий вес и компактность. Охлаждение конденсатора в тепловой трубе осуществляется различными методами, такими как воздушное охлаждение, водяное охлаждение, радиаторы на основе ребер и так далее. Следовательно, потребление энергии системой вторичного охлаждения необходимо учитывать в тепловых трубках. Стоит обратить внимание на то, что при фазовом переходе воды из жидкости в газ неизменно сохраняется большая скрытая теплота.Рен и др. 80 разработали новый метод, использующий испарение воды для предотвращения накопления тепла на аккумуляторной батарее. Тонкая пленка из альгината натрия (пленка SA-1) с содержанием воды 99 мас.% Прикреплена к поверхности аккумуляторного блока. Было обнаружено, что при зарядке / разряде постоянным током более 1 C скорость скачка температуры снижалась вдвое. Проблема сушки пленки решается за счет включения простой системы автоматического долива воды. Fang et al81 разработали BTMS, основанную на сочетании техники воздушного охлаждения и испарения воды с использованием пленки из альгината натрия, армированной полиэтиленовым волокном (SA).Система воздушного охлаждения улучшает тепловые характеристики системы, а также предотвращает попадание воды в аккумуляторную батарею, тем самым устраняя риск короткого замыкания.

Таблица 3 показывает сравнение результатов исследований всех BTMS.

Таблица 3. Сравнение результатов исследования управления на основе воздуха, жидкости и фазового перехода

	Воздух	Жидкость	Изменение фазы
Направления исследований	Исследования, связанные с влиянием рабочих параметров, включая расход воздуха, режимы воздушного потока, характер воздушного потока и т. Д., На производительность систем воздушного охлаждения. Исследования, относящиеся к влиянию структурных параметров, включая расположение батарей, добавление камер статического давления, коллектора и т. Д. К проточному каналу, на характеристики систем воздушного охлаждения. Оптимизационные исследования рабочих параметров и структурных параметров, влияющих на производительность систем воздушного охлаждения, которые включают междисциплинарную оптимизацию проектирования (MDO) на основе суррогатов, оптимизацию многоцелевого роя частиц (MOPSO) и т. Д. Другие исследования включают интегрированные гибридные системы охлаждения с воздушным охлаждением и системы активного охлаждения с воздушным охлаждением.	Исследования, связанные с влиянием рабочих параметров, которые включают массовый расход, направление потока, температуру охлаждающей жидкости на входе и так далее. и конструктивные параметры, которые включают количество каналов, ширину каналов, количество охлаждающих пластин (для исследования на основе холодных пластин), включение дополнительных элементов для улучшения тепловых характеристик и т. д. по производительности систем жидкостного охлаждения Исследования, относящиеся к охлаждающей жидкости и механизму охлаждения, таким как охлаждение туманом, охлаждение аммиаком, метод проточного кипения и так далее. Оптимизационные исследования рабочих параметров и параметров конструкции, влияющих на производительность систем жидкостного охлаждения. Другие исследования включают интегрированные гибридные системы охлаждения с жидкостным охлаждением и т. Д.	Исследования, связанные с фазовым переходом из твердой фазы в жидкую с использованием материалов с фазовым переходом (PCM) или композитных материалов с фазовым переходом (C-PCM) Исследования, связанные с фазовым переходом из жидкости в газ / пар с использованием тепловых трубок, техники испарения воды и т. Д. Другие исследования включают интегрированные гибридные системы охлаждения с фазовым переходом, оптимизацию конструкции и так далее.
Достоинства	Простая и дешевая установка, экологически безопасная работа по сравнению с управлением жидкостью и фазовым переходом.	Системы жидкостного охлаждения предпочтительнее систем воздушного охлаждения в неблагоприятных условиях эксплуатации из-за лучших тепловых характеристик при той же паразитной нагрузке.	Охлаждение на основе PCM в основном пассивного типа (без использования вспомогательных компонентов) и, следовательно, легкое по сравнению с воздушным или жидкостным BTMS.
Температурный контроль и другие последствия	При увеличении массового расхода увеличивается коэффициент теплопередачи, уменьшается максимальное повышение температуры и уменьшается неравномерность температуры, но за счет увеличения паразитного энергопотребления и падения давления, таким образом, увеличиваются эксплуатационные расходы и снижается эффективность батареи.	Увеличивая массовый расход, увеличивая количество каналов или увеличивая количество холодных пластин, можно уменьшить максимальное повышение температуры и неравномерность температуры, но за счет падения давления и паразитного энергопотребления. Температура охлаждающей жидкости на входе играет решающую роль в жидкостном БТМС.	Повышение температуры и неравномерность температуры регулируются системами на основе PCM путем незначительного / полного изменения фазы.Предел рабочей температуры должен совпадать с точкой плавления материала с фазовым переходом, иначе это приведет к отказу BTMS.
Способы повышения производительности	Путем внесения структурных изменений без ущерба для использования пространства, таких как использование конусного коллектора, изменение угла камеры, использование вентиляции со сбросом давления и т. Д.Температурное управление может быть эффективно достигнуто без увеличения паразитного энергопотребления. Другие методы включают частичное или полное введение пористой металлической пены в каналы для воздушного потока в качестве автономной системы или интеграции с радиаторами, такими как штыревые ребра и т. Д. Расположение аккумуляторов в аккумуляторном блоке, расположение входных и выходных каналов также играет решающую роль в терморегулировании аккумуляторных блоков. Воздушные гибридные системы, такие как воздушная интегрированная наножидкостная система, воздушная интегрированная система гидрофильных волоконных каналов и т. Д., Используются для улучшения тепловых характеристик. Некоторые из систем, такие как интегрированная с воздухом система гидрофильных волоконных каналов, уменьшают общий вес BTMS, поскольку не требуются вспомогательные компоненты, такие как насосы, воздуходувки и т. Д.	По сравнению с однофазным механизмом теплопередачи конвекционный поток кипения обеспечивает лучшую теплопередачу.Различные хладагенты, используемые в методах проточного кипения, включают гидрофторэфир, аммиак и так далее. Жидкостные интегрированные гибридные системы, такие как принудительная подача газа, углеродные нанотрубки в дистиллированной воде и т. Д., Разработаны для повышения эффективности охлаждения BTMS.	Основным недостатком использования PCM является низкая теплопроводность.Следовательно, к нему добавляются добавки, такие как расширенный графит, для получения C-PCM, который обладает лучшей теплопроводностью. Другие C-PCM – это многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT), графен, пенопласт на основе алюминия и так далее. Другой серьезной проблемой по-прежнему является определение количества PCM, необходимого для конкретного приложения, поскольку оно напрямую связано с эксплуатационными расходами. Ненужные отходы влекут за собой дополнительные расходы для системы, поэтому в этом отношении проводятся различные исследования по оптимизации. В BTMS на основе PCM следует отметить, что после того, как произошел фазовый переход, доступное скрытое тепло было отведено, тогда регулирование температуры не удалось, что привело к отказу BTMS. Таким образом, BTMS на основе тепловых трубок обеспечивает лучшую термическую стабильность и срок службы BTMS. Метод испарения воды используется в BTMS, поскольку при фазовом переходе воды из жидкости в газ неизменно сохраняется большая теплотворная способность (скрытая теплота), чем явная теплота.

2.4 Батарея обогрева

В низкотемпературных районах основной проблемой было отопление от батарей. Было обнаружено, что низкая температура окружающей среды серьезно сказывается на сроке службы батареи.82 В условиях эксплуатации при низких температурах снижение мощности литий-ионного элемента в основном происходит из-за развития твердого электролитного интерфейса (SEI), а потенциальная угроза безопасности часто возникает из-за лития. покрытие.3 При низких температурах окружающей среды внутреннее сопротивление аккумуляторов увеличивается, что приводит к сильному тепловыделению. Другие проблемы включают образование пленки SEI, низкую скорость реакции, ухудшение свойств электрода и электролита (таблица 2) и так далее. Следовательно, терморегулирование при низких температурах важно для безопасной и эффективной работы литий-ионных аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях.

Fan et al83 изучили эффекты нагрева батареи с помощью нагревательной пластины в холодном климате -20 ° C и указали, что это достигается увеличением массового расхода горячего хладагента (около 45 ° C), но не более 0.065 кг с ⁻¹ , температура батарей достигла рекомендованного максимального предела 40 ° C, и скорость разряда батареи не сильно повлияла на нагрев батареи. Lv et al84 разработали гибридный BTMS PCM с нагревом с принудительной конвекцией воздуха (FAC) или нагревом силиконовой пластины (SP), совместимый для работы как при низких, так и при высоких температурах. Результаты экспериментов показали, что конструкция батареи с закрытым концом способствовала оптимизации стратегий нагрева FAC, а нагрев SP дал наилучшие характеристики нагрева.Джагемонт и др. 85 изучили механизм ускоренного старения при низких температурах окружающей среды, который приводит к быстрой потере различного полезного содержимого в батарее, такого как циклический литий, материал активного электрода и так далее. Модель старения батареи была разработана для прогнозирования электротермического поведения и остаточной емкости при низких температурах в диапазоне от -20 ° C до 0 ° C. Линь и др. 86 разработали механизм нагрева на основе PCM для литий-ионных аккумуляторов с использованием композитного PCM из термодисперсного диоксида кремния RT28. Экспериментальные исследования сорока циклов заряда-разряда при различных скоростях разряда показали, что снижение емкости аккумулятора уменьшилось на 4% и 76% при работе при 5 ° C и -10 ° C соответственно.Однако было замечено, что при более длительном времени работы использование PCM снижает тепловые характеристики батареи, поскольку предотвращает саморазогрев батареи, что приводит к потере емкости и мощности. Jaguemont et al87 изучали производительность литий-ионных аккумуляторов в холодных погодных условиях. Результаты экспериментов показали, что батарея хорошо работает при 10 ° C по сравнению с 0 ° C, а при 0 ° C наблюдается значительная потеря емкости. Причина заключается в повышенном внутреннем сопротивлении, которое приводит к замедлению диффузии ионов и ионной проводимости, что приводит к потере доступной энергии.Было замечено, что работа аккумуляторов при высокой скорости разряда способствует самонагреванию аккумуляторов, поддерживая его в достаточном тепле, но за счет износа аккумулятора и срока службы аккумулятора. Джи и Ван88 разработали электрохимическую тепловую связанную численную модель литий-ионной батареи для изучения четырех стратегий нагрева – самонагрева, конвективного нагрева, взаимного импульсного нагрева и внешнего нагрева. Было видно, что конвективное охлаждение имело наименьшее время нагрева батареи, взаимный импульсный нагрев потреблял наименьшую емкость батареи, а внешний нагрев с использованием источника переменного тока обеспечивал равномерный нагрев.Было видно, что для всех этих стратегий время нагрева может быть значительно сокращено за счет уменьшения выходного напряжения ячейки.

Ye et al89 разработали BTMS на основе массива микротепловых трубок для двойной функции нагрева при низких рабочих условиях и охлаждения при горячих рабочих условиях. Эта система показала лучшие характеристики нагрева, чем обычный нагрев с использованием нагревательной пленки, которая размещается непосредственно на дне батарей.

3 ВЫВОДЫ

Литий-ионные аккумуляторы

являются одними из самых известных электрических аккумуляторов, используемых в электромобилях, благодаря высокой плотности энергии, низкому саморазряду, высокому выходному напряжению и хорошей стабильности.Повышение температуры и неравномерность температуры в экстремальных условиях эксплуатации (высокая скорость зарядки / разрядки, высокие или низкие / отрицательные условия окружающей среды) являются основными недостатками литий-ионных аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях. Эти отклонения сокращают срок службы и производительность батарей, а также могут привести к тепловому разгоне. Следовательно, система охлаждения или нагрева играет ключевую роль в регулировании температуры аккумуляторных батарей. В традиционных методах управления температурой используются механизмы, основанные на воздухе, жидкости и фазовом переходе (использование PCM, методы испарения / кипячения в бассейне и т. Д.). Воздушный BTMS – это традиционный метод, принятый различными исследователями. Системы, использующие воздух, зависят от температуры окружающей среды; при более высоких условиях окружающей среды охлаждение аккумуляторов затруднено аналогично, нагрев аккумулятора при более низких условиях окружающей среды. Коэффициент теплопередачи воздуха очень низкий, поэтому при более высоких скоростях зарядки или разрядки невозможно вовремя рассеивать тепло, что приводит к накоплению тепла в аккумуляторной батарее. В неблагоприятных условиях эксплуатации жидкостные системы обладают лучшими тепловыми характеристиками по сравнению с воздушными системами при том же паразитном энергопотреблении.В жидкостной основе БТМС методы кипения в потоке предпочтительнее однофазной конвекционной теплопередачи для улучшения тепловых характеристик БТМ. Хладагенты, используемые в системах жидкостного охлаждения, должны быть безопасными для окружающей среды и потребителя и совместимы с материалом, используемым в BTMS. В жидкостных БТМС необходимо учитывать сложность системы и проблемы утечки теплоносителя. Системы на основе PCM (материала с фазовым переходом) предпочтительнее воздушных и жидкостных систем из-за уменьшения веса, снижения энергопотребления и лучших тепловых характеристик.Основная проблема PCM – его низкая теплопроводность. Для решения этой проблемы используются композитные ПКМ, которые имеют более высокую теплопроводность, чем обычные ПКМ. Другой проблемой PCM является недостаточная термическая стабильность с течением времени. Как только фазовый переход произошел, BTMS выходит из строя. Таким образом, тепловые трубки предпочтительнее PCM, так как они имеют лучшую термическую стабильность в течение более длительного времени. Помимо систем охлаждения на основе PCM, в которых накопленное скрытое тепло можно использовать для нагрева батареи в холодных условиях окружающей среды, только несколько исследований15, 51 были сосредоточены на использовании тепла, отводимого от аккумуляторов.В будущих исследованиях следует сосредоточить внимание на рекуперации и утилизации отработанного тепла, рассеиваемого батареями, чтобы улучшить тепловые характеристики и эффективность BTMS. В некоторых исследованиях эта идеология была реализована путем использования механизма кипячения в бассейне с использованием жидкого аммиака, жидкого пропана и т. Д. В HEV (где хладагент и топливо одинаковы), где аккумуляторная батарея (BP) частично погружена в бассейн. Пар, образующийся при поглощении тепла, рассеиваемого из соприкасающейся части БП, охлаждает непокрытую часть, а затем перегретый пар используется либо для выработки энергии в двигателе внутреннего сгорания, либо для зарядки аккумуляторов через генератор.В будущем сфера деятельности заключается в предотвращении выхода из строя литий-ионных БП путем выбора соответствующей техники управления температурой в зависимости от применения и требований BTMS и одновременного использования отходящего тепла, удаляемого из аккумуляторной системы, чтобы сделать систему более энергоэффективной. и экономичный. Как правило, мощность, необходимая для работы BTMS, используется от батарей, следовательно, использование отработанного тепла, регенерированного для перезарядки батарей, значительно снизит потребление энергии и, следовательно, эксплуатационные расходы.Точно так же отходящее тепло, используемое для движения транспортного средства, снизило бы расход топлива в случае HEV, тем самым снова уменьшив понесенные эксплуатационные расходы и, что наиболее важно, уменьшив углеродный след. Основная проблема в прямых системах будет заключаться в обеспечении безопасности, поскольку горючие хладагенты, такие как пропан, находятся в прямом контакте с батареями. В случае короткого замыкания это может привести к взрыву, но эту проблему можно решить, используя системы непрямого контакта, такие как холодная пластина со встроенными трубками и т. Д.

Предохранительный клапан для литий-ионных батарей

Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий (ITRI) предлагает кое-что, что может уберечь вас от огненного шара.

Организация разработала внутренний компонент для литий-ионных батарей под названием Stoba, который отключает батарею, когда внутренняя температура превышает критический порог, что, в свою очередь, предотвращает возникновение реакции теплового разгона (т. Е. Возгорания).

«Это похоже на плавкий предохранитель в батарее», – сказал д-р.Алекс Пэн, заместитель генерального директора ITRI, который на этой неделе находился в Калифорнии. «Это новый механизм, обеспечивающий большую безопасность аккумулятора».

Ноутбуки и сотовые телефоны, оснащенные батареями Stoba, могут появиться в продаже в первом квартале следующего года. В настоящее время группа работает над усовершенствованием технологии аккумуляторов для электромобилей и подключаемых гибридов.

Stoba – это термочувствительная пленка, которая превращается из швейцарского сыра в барьер. В нормальных условиях стандартная литий-ионная кобальтовая батарея может работать при температуре 50 градусов Цельсия.При такой температуре Stoba пористая, что позволяет ионам лития свободно проходить.

В случае внутреннего короткого замыкания температура в аккумуляторе может быстро подняться. При 130 градусах Цельсия материал разрушается, поры закрываются, и ионы лития больше не могут свободно попадать внутрь ячейки. Смена пленки необратима – аккумулятор снова не работает – но, по крайней мере, возгорания не произошло.

Эта технология в некотором смысле является аналогом работы, проводимой Tesla Motors по разработке аккумуляторной батареи.Tesla строит свои батареи из стандартных литий-кобальтовых элементов, но соединяет их и размещает таким образом, чтобы они могли быть изолированы друг от друга в случае тепловой реакции.

Первоначальным целевым рынком были литий-кобальтовые батареи, где возникли проблемы с литиевыми батареями. Пленка снижает мощность примерно на 1 процент, поэтому потребители не замечают, сказал он.

Авторынок появится позже. Большинство производителей автомобилей обращают внимание на литий-фосфатные и, чаще, литий-марганцевые батареи.Потенциал неуправляемых тепловых реакций с этими батареями существует, но остается низким, хотя в результате литий-фосфатные батареи также имеют более низкую удельную мощность.

Также необходимо исправить небольшое снижение мощности, вызванное пленкой. Возможно, если ITRI сможет решить эту проблему, автопроизводители смогут использовать литий-кобальт. Пока что Tesla – единственный производитель, использующий литий-кобальтовые батареи, и он уже изучает другие химические составы. Другие, такие как Nissan, приняли другой химический состав (литиевый полимер для Nissan) или в частном порядке заявили, что не будут использовать кобальт.

«Нам нужно изменить его, чтобы минимизировать эффект мощности», – сказал он.

Температурный разгон свинцово-кислотных аккумуляторов с клапаном

1.

D.A.J. Рэнд, П. Мозли, Дж. Гарш и К.Д. Паркер, «Свинцово-кислотные батареи с клапаном регулирования» (Эльзевир, Амстердам, 2004 г.) стр. 2

2.

Паско П.Э., Анбуки А.Х. (2004) Управление преобразованием энергии. 45: 1015

Артикул CAS Google ученый

3.

Мозли П.T. (2000) J. Power Sources 88:71

Статья CAS Google ученый

4.

Онода Ю. (2000) J. Power Sources 88: 101

Статья CAS Google ученый

5.

Дитц Х., Радван М., Гарче Дж., Деринг Х., Визенер К. (1991) J. Appl. Электрохим. 21: 221

Статья CAS Google ученый

6.

Тиммонс Дж., Куриан Р., Гудман А., Джонсон W.R. (2004) J. Power Sources 136: 372

Статья CAS Google ученый

7.

Wagner R., Sauer D.U. (2001) J. Power Sources 95: 141

Статья CAS Google ученый

8.

Мэй G.J. (2004) J. Power Sources 133: 110

Статья CAS Google ученый

9.

Häring P., Giess H. (2001) J. Power Sources 95: 153

Статья Google ученый

10.

Li Z., Guo Y., Wu L., Perrin M., Döring H., Garche J. (2002) J. Electrochem. Soc. 149: A934

Артикул CAS Google ученый

11.

Berndt D. (2001) J. Power Sources 100: 29

Статья CAS Google ученый

12.

D.A.J. Рэнд, П. Мозли, Дж. Гарш и К.Д. Паркер, «Свинцово-кислотные батареи с клапаном регулирования» (Эльзевир, Амстердам, 2004 г.) стр. 7

13.

Р.Ф. Нельсон, Труды 4-го Международного семинара по свинцово-кислотным аккумуляторам, 25-27 апреля (1990 г.), Сан-Франциско, США, Международная организация по исследованию цинка, Inc., стр. 31

14.

R.K. Яворски и Дж.М.Харкинс, Труды 18-й Международной конференции по электросвязи и энергетике 1996 г., INTELEC, 6–10 октября (1996 г.), Бостон, Массачусетс, США с.45

15.

С. Мисра, А.Дж. Уильямсон, Труды 20-й Международной конференции по электросвязи и энергетике, 1998 г., INTELEC, 4–8 октября (1998 г.), Сан-Франциско, Калифорния, США с. 536

16.

Калпин Б., Уэйнрайт П.Л. (2001) Публикация конференции IEE 484: 361

Google ученый

17.

W.T. Rutledge and R.J. Бауэрс, Труды 16-й Международной конференции по электросвязи и энергетике, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, 30 октября – 3 ноября (1994), с.168

18.

Д. Берндт (1993) Необслуживаемые батареи, Research Studies Press, Тонтон, Сомерсет, Великобритания, с. 32; п. 157

Google ученый

19.

Берндт Д. (1993) Необслуживаемые батареи. Wiley, Нью-Йорк, стр. 306

Google ученый

20.

Павлов Д. (1997) J. Источники энергии 64: 131

Статья CAS Google ученый

21.

Калпин Б. (2004) J. Источники энергии 133: 79

Статья CAS Google ученый

22.

Э. Бойсверт, Труды 23-й Международной конференции по электросвязи и энергетике, 14–18 октября (2001 г.), Эдинбург, с. 126

23.

Moseley P.T. (2001) J. Power Sources 95: 218

Статья CAS Google ученый

24.

Перрин М., Деринг Х., Ихмельс К., Вайс А., Фогель Э., Вагнер Р. (2001) J. Power Sources 95:85

Статья CAS Google ученый

25.

Баллок К.Р. (2003) J. Power Sources 116: 8

Статья CAS Google ученый

Управление тепловым режимом электромобиля – MATLAB & Simulink

В этом примере моделируется система терморегулирования аккумуляторного электромобиля. Система состоит из двух контуров охлаждающей жидкости, холодильного контура и контура вентиляции и кондиционирования кабины.Тепловой нагрузкой являются аккумуляторные батареи, трансмиссия и кабина.

Два контура охлаждающей жидкости можно соединить вместе в последовательном режиме или разделить в параллельном режиме с помощью 4-ходового клапана. В холодную погоду контуры охлаждающей жидкости работают в последовательном режиме, так что тепло от двигателя согревает батареи. При необходимости обогреватель может обеспечить дополнительное тепло. В теплую погоду контуры охлаждающей жидкости остаются в последовательном режиме, а батареи и трансмиссия охлаждаются радиатором. В жаркую погоду контур охлаждающей жидкости переключается в параллельный режим и разъединяется.Один контур охлаждает трансмиссию с помощью радиатора. Другой охлаждает батареи с помощью чиллера в холодильном контуре.

Холодильный контур состоит из компрессора, конденсатора, ресивера жидкости, двух расширительных клапанов, чиллера и испарителя. Чиллер используется для охлаждения охлаждающей жидкости в жаркую погоду, когда одного радиатора недостаточно. Испаритель используется для охлаждения салона автомобиля при включении кондиционера. Компрессор регулируется таким образом, что конденсатор может рассеивать тепло, поглощаемое одним или обоими охладителем и испарителем.

Контур HVAC состоит из нагнетателя, испарителя, нагревателя с положительным температурным коэффициентом и кабины транспортного средства. Нагреватель PTC обеспечивает обогрев в холодную погоду; испаритель обеспечивает кондиционирование в жаркую погоду. Вентилятор регулируется для поддержания заданной заданной температуры в кабине.

В этой модели настроено три сценария. Сценарий ездового цикла имитирует условия вождения при 30 градусах Цельсия с включенным кондиционером. Скорость автомобиля основана на NEDC, после чего следует 30 минут высокой скорости, чтобы увеличить тепловую нагрузку аккумулятора.Сценарий охлаждения имитирует неподвижное транспортное средство в погоду 40 ° C с включенным кондиционером. Наконец, сценарий холодной погоды имитирует условия вождения при температуре -10 ° C, что требует, чтобы нагреватель батареи и нагреватель PTC нагрели батареи и кабину соответственно.

Модель

Подсистема сценария

Эта подсистема устанавливает условия среды и входные данные для системы для выбранного сценария. Потребляемый ток аккумуляторной батареи и тепловая нагрузка трансмиссии зависят от скорости транспортного средства на основе табличных данных.

Подсистема управления

Эта подсистема состоит из всех контроллеров для насосов, компрессора, вентилятора, нагнетателя и клапанов в системе управления температурой.

Подсистема клапана параллельного-последовательного режима

4-ходовой клапан в этой подсистеме управляет тем, работает ли контур охлаждающей жидкости в параллельном или последовательном режиме. Когда порты A и D подключены, а порты C и B подключены, он находится в параллельном режиме. Два контура охлаждающей жидкости разделены собственными баками охлаждающей жидкости и насосами.

Когда порты A и B подключены, а порты C и D подключены, он находится в последовательном режиме. Два контура охлаждающей жидкости объединены, и два насоса синхронизированы для обеспечения одинаковой скорости потока.

Подсистема насоса с двигателем

Этот насос приводит в действие контур охлаждающей жидкости, который охлаждает зарядное устройство, двигатель и инвертор.

Подсистема зарядного устройства

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг зарядного устройства, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема двигателя

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг двигателя, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема инвертора

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг инвертора, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема радиатора

Радиатор представляет собой теплообменник прямоугольной формы с ребрами и трубами, который отводит тепло охлаждающей жидкости в воздух. Воздушный поток управляется скоростью автомобиля и вентилятором, расположенным за конденсатором.

Подсистема перепускного клапана радиатора

В холодную погоду радиатор обходится, так что тепло от трансмиссии можно использовать для нагрева аккумуляторов.Это контролируется 3-ходовым клапаном, который либо направляет охлаждающую жидкость к радиатору, либо в обход радиатора.

Подсистема аккумуляторного насоса

Этот насос приводит в действие контур охлаждающей жидкости, который охлаждает аккумуляторные батареи и преобразователь постоянного тока в постоянный.

Подсистема чиллера

Предполагается, что чиллер представляет собой теплообменник кожухотрубного типа, который позволяет хладагенту поглощать тепло от хладагента.

Подсистема перепускного клапана чиллера

Чиллер работает в двухпозиционном режиме в зависимости от температуры батареи.Это контролируется 3-ходовым клапаном, который либо направляет хладагент в чиллер, либо в обход чиллера.

Подсистема нагревателя

Нагреватель батареи моделируется как источник расхода тепла и тепловая масса. Включается в холодную погоду, чтобы температура батареи не превышала 5 градусов Цельсия.

Подсистема DCDC

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг преобразователя постоянного тока в постоянный, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема батарей

Батареи моделируются в виде четырех отдельных блоков, окруженных рубашкой охлаждающей жидкости.Батарейные блоки вырабатывают напряжение и тепло в зависимости от текущего потребления. Предполагается, что охлаждающая жидкость течет в узких каналах вокруг аккумуляторных блоков.

Пакет 1 Подсистема

Каждый аккумуляторный блок моделируется как набор литий-ионных элементов, соединенных с тепловой моделью. Тепло генерируется за счет потерь мощности в ячейках.

Подсистема компрессора

Компрессор управляет потоком в контуре хладагента. Он регулируется для поддержания давления 0,3 МПа в охладителе и испарителе, что соответствует температуре насыщения около 1 ° C.

Подсистема конденсатора

Конденсатор представляет собой теплообменник прямоугольной формы с трубчатыми ребрами, который отводит тепло хладагента в воздух. Воздушный поток управляется скоростью автомобиля и вентилятором. Ресивер жидкости обеспечивает хранение хладагента и пропускает только переохлажденную жидкость в расширительные клапаны.

Подсистема расширительного клапана чиллера

Этот расширительный клапан измеряет поток хладагента в чиллер для поддержания номинального перегрева.

Подсистема расширительного клапана испарителя

Этот расширительный клапан измеряет поток хладагента в испаритель для поддержания номинального перегрева.

Подсистема испарителя

Испаритель представляет собой теплообменник прямоугольной формы с ребрами и трубами, который позволяет хладагенту поглощать тепло из воздуха. Он также осушает воздух, когда он влажный.

Подсистема нагнетателя

Нагнетатель управляет потоком воздуха в контуре ОВК. Он контролируется для поддержания заданной температуры в кабине. Источником воздуха может быть окружающая среда или рециркулируемый воздух кабины.

Подсистема рециркуляционной заслонки

Рециркуляционная заслонка моделируется как два ограничения, действующие противоположным образом, чтобы пропускать воздух из окружающей среды или кабины к воздуходувке.

Подсистема PTC

Нагреватель PTC моделируется как источник расхода тепла и тепловая масса. Его включают в холодную погоду для обогрева кабины автомобиля.

Подсистема кабины

Кабина автомобиля моделируется как большой объем влажного воздуха. Каждый пассажир в автомобиле является источником тепла, влаги и CO2.

Подсистема теплопередачи кабины

Эта подсистема моделирует тепловые сопротивления между внутренней частью кабины и внешней средой.

Результаты моделирования с осциллографами

В следующем осциллографе показаны скорость автомобиля, тепловыделение, температура кабины, температуры компонентов и команды управления для сценария ездового цикла. Вначале контур охлаждающей жидкости находится в последовательном режиме. Примерно через 1100 с он переключается в параллельный режим, и чиллер используется для поддержания температуры батарей ниже 35 ° C.

Результаты моделирования от Simscape Logging

Этот график показывает мощность, потребляемую системой управления температурой для охлаждения компонентов транспортного средства и кабины.Наибольшее потребление энергии происходит в компрессоре хладагента, когда чиллер используется для охлаждения батарей.