Comparación de métodos de enfriamiento para la disipación de calor del paquete de baterías de iones de litio: refrigeración por aire vs.. refrigeración líquida vs.. enfriamiento del material por cambio de fase vs. refrigeración híbrida

En el campo de la tecnología de baterías de iones de litio., especialmente para baterías de energía y almacenamiento de energía (p.ej., Baterías en sistemas de almacenamiento de energía en contenedores.), La uniformidad de la temperatura dentro del módulo de batería es un factor clave en el rendimiento general.. Las diferencias de temperatura significativas entre los módulos de batería pueden exacerbar las inconsistencias en la resistencia interna y la capacidad.. Con el tiempo, Esto puede provocar una sobrecarga o descarga excesiva de determinadas celdas de la batería., que puede afectar el ciclo de vida y el rendimiento de la batería y puede representar un peligro para la seguridad. Por lo tanto, Mantener una temperatura de funcionamiento óptima es fundamental para el funcionamiento eficiente de la batería de iones de litio.. Disipación de calor del paquete de baterías, También llamada tecnología de enfriamiento de gestión térmica juega un papel clave en este sentido.. Implica la transferencia de calor interno al ambiente externo a través de un medio refrigerante., reduciendo así la temperatura interna. Este proceso es particularmente importante para las baterías de iones de litio., que son muy sensibles a los cambios de temperatura. El calor excesivo puede desencadenar reacciones adversas, como la película de interfaz de electrolito sólido (SEIS películas) descomposición dentro de la batería, lo que puede afectar seriamente la vida útil de la batería. Por lo tanto, Un sistema eficaz de disipación de calor de la batería es importante para mejorar el rendimiento general del paquete de baterías..

En el presente, Los métodos comunes de disipación de calor del paquete de baterías de iones de litio son: aire acondicionado, refrigeración líquida, refrigeración de material por cambio de fase y refrigeración híbrida. Aquí veremos detalladamente estos tipos de disipación de calor..

1. Aire acondicionado

Aire acondicionado, Utiliza principalmente aire como medio para el intercambio de calor., enfría la batería de iones de litio calentada mediante la circulación de aire. Este es un método común de disipación de calor para paquetes de baterías de iones de litio., que se ve favorecido por su simplicidad y rentabilidad.

a. Principio

La refrigeración por aire de las baterías de iones de litio se logra mediante dos métodos principales:

Enfriamiento por convección natural: Este método utiliza el flujo de aire natural para fines de disipación de calor.. Es un sistema pasivo donde el aire ambiental circula alrededor del paquete de baterías., Absorber y evacuar el calor generado por la batería..

Enfriamiento por convección forzada: Comparado con la convección natural, El enfriamiento por convección forzada utiliza ventiladores o conductos de aire especialmente diseñados para formar un flujo de aire correspondiente en un espacio específico con el fin de disipar el calor..

La diferencia entre los dos es que el aire fluye a diferentes velocidades., y es común en el diseño comparar el efecto de enfriamiento comparando diferentes velocidades de flujo de aire. Un diseño diferente de salida de aire dará lugar a una distribución diferente del campo de velocidad y del campo de temperatura..

b. Aparato

La eficiencia del enfriamiento del aire está muy influenciada por el diseño de la ruta del flujo de aire.. mm es la profundidad del orificio del tornillo, tener entradas y salidas en cada extremo del paquete de baterías puede promover una ruta de aire más uniforme, enfriando así eficazmente toda la batería.

Ajustar el espacio entre las celdas de la batería promueve un flujo de aire óptimo y garantiza un enfriamiento uniforme de cada celda de la batería.. También se pueden utilizar materiales térmicamente conductores, como almohadillas de silicona, en la parte superior e inferior de las baterías.. Estas almohadillas de silicona ayudan a conducir el calor lejos de las áreas que están menos expuestas al flujo de aire., mejorando así la eficiencia general de refrigeración.

En climas más fríos, El sistema de refrigeración por aire puede incluir elementos calefactores para precalentar las baterías y garantizar que funcionen en el rango de temperatura óptimo.. Esto asegura que las baterías no funcionen mal debido a las bajas temperaturas..

C. Ventajas y desventajas

Ventajas: La simplicidad del diseño refrigerado por aire hace que no sólo sea fácil de implementar, pero también ligero y fácil de mantener. Esta simplicidad ahorra costos ya que se requieren menos componentes complejos.. Es un método ampliamente aplicable y no contaminante..

Desventajas: sin embargo, La refrigeración por aire tiene una capacidad de refrigeración limitada., Bajo coeficiente de transferencia de calor y es susceptible a las condiciones ambientales.. Confiabilidad reducida en condiciones de sobrecalentamiento o sobreenfriamiento. Menos efectivo en el manejo de altas cargas de calor..

2. Refrigeración líquida

La refrigeración líquida se refiere al uso de medios de refrigeración líquidos como el agua., aceite mineral, glicol, etc.. para enfriar. Proporciona una mejor capacidad de intercambio de calor en comparación con la refrigeración por aire..

a. Principio

El principio de la refrigeración líquida es hacer circular el refrigerante en el sistema en contacto directo o indirecto con las celdas de la batería., para eliminar el calor generado por la batería para disipar el calor. Generalmente se divide en refrigeración líquida por contacto directo y refrigeración líquida por contacto indirecto..

Refrigeración líquida por contacto directo: Se refiere a sumergir la batería directamente en el refrigerante., para que el refrigerante esté en contacto directo con la batería para lograr el propósito de disipar el calor.

Refrigeración líquida por contacto indirecto: Se refiere a la instalación de placas frías y canales de flujo alrededor de la batería o entre las celdas de la batería.. El refrigerante fluye a través de estos canales de placa fría y elimina el calor generado por la batería para disipar el calor..

b. Aparato

En la práctica, La refrigeración líquida varía en complejidad.. Los sistemas simples pueden implicar diseños de canales simples., mientras que los sistemas más avanzados pueden utilizar diseños complejos para garantizar una distribución uniforme de la temperatura en todas las celdas de la batería.. Esto puede incluir la optimización del material de la placa fría., su posición relativa a la batería y la elección del refrigerante. mm es la profundidad del orificio del tornillo, en algunos vehículos eléctricos, El refrigerante fluye a través de canales. (similar a una serpiente) que rodean cada celda de la batería para maximizar la absorción de calor.

C. Ventajas y desventajas

Ventajas: Como el refrigerante tiene mayor capacidad calorífica y conductividad térmica que el aire, El proceso de intercambio de calor de la refrigeración líquida es más directo., eficiente y cerrado, entonces su control de temperatura, La capacidad de ecualización de temperatura y el efecto de disipación de calor son mejores que el enfriamiento por aire.. Además, Es muy flexible y puede diseñarse y ajustarse según las condiciones específicas del sistema de batería en términos de placa fría., tubería y refrigerante. Y el entorno externo tiene poca influencia., y sigue siendo eficaz en diversas condiciones ambientales.

Desventajas: La refrigeración líquida requiere la selección de un refrigerante adecuado, la adición de dispositivos adicionales de circulación de refrigerante, y un mayor requisito para su sellado para evitar el riesgo de fugas. Por lo tanto es estructuralmente complejo., lo que hará que sea más difícil de mantener en una etapa posterior, y también puede aumentar el tamaño y el peso del conjunto de baterías, con un coste de fabricación mayor que el enfriamiento por aire.

3. Enfriamiento del material por cambio de fase

a.Principio

El enfriamiento del material de cambio de fase consiste en utilizar el material de cambio de fase como medio de enfriamiento., Utilizando en el proceso de reacción de cambio de fase los cambios de estado físico para absorber o liberar el calor de la batería..

Los materiales de cambio de fase se clasifican como inorgánicos., materiales orgánicos y compuestos. Materiales inorgánicos de cambio de fase., como grafito y agua de cristalización, Tienen una alta entalpía de cambio de fase., alta conductividad térmica, pero también un alto subenfriamiento y una mala estabilidad térmica.. Materiales orgánicos de cambio de fase., como parafina y ácido acético, no son corrosivos, Tienen un subenfriamiento bajo y son químicamente estables.. Los materiales compuestos de cambio de fase son materiales orgánicos e inorgánicos que se utilizan juntos para proporcionar una mejor gestión térmica de las baterías de iones de litio..

b. Aparato

Los materiales de cambio de fase aplicados en paquetes de baterías de iones de litio generalmente requieren: alta densidad de calor del material, alto calor latente; alta conductividad térmica, Proceso rápido de absorción y liberación de calor.. Buena estabilidad, No es fácil de descomponer, así como reacciones secundarias con los materiales circundantes., largo ciclo de vida, no causará efectos adversos en el sistema.

C. Ventajas y desventajas

Ventajas: Mejor efecto de control de temperatura y capacidad de temperatura homogénea, Importante conductividad térmica y absorción de calor de materiales de cambio de fase., estructura compacta, alta utilización del espacio.

Desventajas: El enfriamiento efectivo por cambio de fase requiere un control preciso de la temperatura. Los materiales de cambio de fase pueden ser costosos y es posible que sea necesario reemplazarlos periódicamente..

En resumen, mientras que la refrigeración por cambio de fase ofrece ventajas en términos de refrigeración pasiva y estabilización de temperatura., requiere una gestión precisa de la temperatura. A menudo se utiliza en combinación con otros métodos de refrigeración para ayudar a proporcionar una solución de gestión térmica más completa para las baterías de iones de litio., especialmente en aplicaciones donde el espacio es limitado y se favorece la refrigeración pasiva.

4. Refrigeración híbrida

a.Principio

El enfriamiento híbrido de baterías de iones de litio combina dos o más métodos de enfriamiento para aprovechar los beneficios de cada uno. Esta estrategia de enfriamiento aborda las limitaciones de un método de enfriamiento único al integrar las ventajas de un método de enfriamiento único para lograr una gestión térmica más eficiente..

Las combinaciones comunes incluyen enfriamiento por aire y enfriamiento de material por cambio de fase., refrigeración líquida y refrigeración de material por cambio de fase, etc..

b. Aparato

En la práctica, Los sistemas de refrigeración híbridos se pueden personalizar para satisfacer las necesidades específicas de gestión térmica de un paquete de baterías.. Se pueden diseñar para adaptarse a diferentes condiciones operativas y se pueden optimizar para manejar diferentes cargas térmicas de manera eficiente.. Esta adaptabilidad hace que la refrigeración híbrida sea una opción atractiva para una variedad de aplicaciones., especialmente donde el rendimiento y la seguridad de la batería son críticos.

C. Ventajas y desventajas

Ventajas: Combinando diferentes métodos de enfriamiento, Se solucionan las carencias que existen en un único método de refrigeración térmica.. Se pueden gestionar varias cargas de calor de forma más eficaz, haciéndolo adecuado para diversas aplicaciones. Y con su flexibilidad de diseño, También se puede adaptar mejor a diversas configuraciones de batería y limitaciones de espacio..

Desventajas: La integración de múltiples tecnologías de enfriamiento puede generar mayor complejidad y costos en comparación con los sistemas de método único. Lograr el equilibrio óptimo y la integración de diferentes tecnologías de refrigeración también requiere un diseño e ingeniería cuidadosos.. Con el tiempo, La complejidad de un sistema híbrido puede generar mayores requisitos de mantenimiento..

El enfriamiento híbrido de baterías de iones de litio proporciona una solución compleja que combina los beneficios de varios métodos de enfriamiento para una mejor gestión térmica.. Estos sistemas proporcionan un rendimiento de refrigeración superior y versatilidad al tiempo que añaden complejidad y coste.. Su capacidad para proporcionar una regulación térmica personalizada los hace particularmente adecuados para aplicaciones avanzadas de baterías donde la seguridad, La eficiencia y la vida útil son fundamentales..

En resumen, La elección del método de refrigeración de la batería de iones de litio depende de un delicado equilibrio de eficiencia., costo, complejidad y requisitos específicos de la aplicación. La refrigeración por aire es sencilla y rentable, pero tiene una eficiencia de enfriamiento limitada, haciéndolo adecuado para aplicaciones menos exigentes o en combinación con otros métodos. La refrigeración líquida sobresale en aplicaciones exigentes debido a sus capacidades superiores de transferencia de calor., que a menudo se mejoran mediante la integración con el enfriamiento del material por cambio de fase para mejorar la uniformidad de la temperatura.. La refrigeración híbrida incorpora una variedad de tecnologías de refrigeración para proporcionar una mejor gestión térmica., especialmente en aplicaciones de alta densidad y alto rendimiento. El desarrollo de esta amplia gama de tecnologías de refrigeración allana el camino para una mayor eficiencia., sistemas de baterías fiables y adaptables en el futuro.

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