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Comparaison des méthodes de refroidissement pour la dissipation thermique des batteries lithium-ion: refroidissement par air vs. refroidissement liquide vs. refroidissement des matériaux à changement de phase vs. refroidissement hybride

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Comparaison des méthodes de refroidissement pour la dissipation thermique des batteries lithium-ion: refroidissement par air vs. refroidissement liquide vs. refroidissement des matériaux à changement de phase vs. refroidissement hybride

décembre 13, 2023

Comparaison des méthodes de refroidissement pour la dissipation thermique des batteries lithium-ion: refroidissement par air vs. refroidissement liquide vs. refroidissement des matériaux à changement de phase vs. refroidissement hybride

Dans le domaine de la technologie des batteries lithium-ion, spécialement pour les batteries de stockage d'électricité et d'énergie (par exemple., batteries dans les systèmes de stockage d'énergie conteneurisés), l'uniformité de la température à l'intérieur du module de batterie est un facteur clé des performances globales. Des différences de température importantes entre les modules de batterie peuvent exacerber les incohérences de résistance interne et de capacité.. Au fil du temps, cela peut entraîner une surcharge ou une décharge excessive de certaines cellules de la batterie, ce qui peut affecter le cycle de vie et les performances de la batterie et peut présenter un risque pour la sécurité. Par conséquent, le maintien d'une température de fonctionnement optimale est essentiel au fonctionnement efficace de la batterie lithium-ion. Dissipation thermique de la batterie, également appelée gestion thermique, la technologie de refroidissement joue un rôle clé à cet égard. Il s'agit du transfert de chaleur interne vers l'environnement externe via un fluide de refroidissement., réduisant ainsi la température interne. Ce processus est particulièrement important pour les batteries lithium-ion, qui sont très sensibles aux changements de température. Une chaleur excessive peut déclencher des réactions indésirables, tel qu'un film d'interface d'électrolyte solide (SIX films) décomposition à l'intérieur de la batterie, ce qui peut sérieusement affecter la durée de vie de la batterie. Par conséquent, un système de dissipation thermique efficace de la batterie est important pour améliorer les performances globales de la batterie.

Maintenant, Les méthodes courantes de dissipation thermique des batteries lithium-ion sont: refroidissement par air, refroidissement liquide, refroidissement des matériaux à changement de phase et refroidissement hybride. Nous allons ici examiner en détail ces types de dissipation thermique.

1. Refroidissement par air

Refroidissement par air, utilisant principalement l'air comme moyen d'échange thermique, refroidit la batterie lithium-ion chauffée grâce à la circulation de l'air. Il s'agit d'une méthode courante de dissipation thermique pour les batteries lithium-ion., qui est privilégié pour sa simplicité et sa rentabilité.

un. Principe

Le refroidissement par air des batteries lithium-ion est réalisé par deux méthodes principales:

Refroidissement par convection naturelle: Cette méthode utilise le flux d'air naturel à des fins de dissipation thermique. C'est un système passif où l'air ambiant circule autour de la batterie, absorber et évacuer la chaleur générée par la batterie.

Refroidissement par convection forcée: Par rapport à la convection naturelle, le refroidissement par convection forcée utilise des ventilateurs ou des conduits d'air spécialement conçus pour former un flux d'air correspondant dans un espace spécifique à des fins de dissipation thermique.

La différence entre les deux est que l'air circule à des vitesses différentes, et il est courant dans la conception de comparer l'effet de refroidissement en comparant différentes vitesses de flux d'air. Une conception différente de la sortie d'air entraînera une distribution différente du champ de vitesse et du champ de température.

b. Appareil

L'efficacité du refroidissement de l'air est grandement influencée par la conception du chemin de circulation de l'air.. Mais il a un prix plus élevé, avoir des entrées et des sorties à chaque extrémité de la batterie peut favoriser un chemin d'air plus uniforme, refroidissant ainsi efficacement l'ensemble de la batterie.

Le réglage de l'espacement entre les cellules de la batterie favorise une circulation d'air optimale et assure un refroidissement uniforme de chaque cellule de la batterie.. Des matériaux thermoconducteurs tels que des coussinets en silicone peuvent également être utilisés sur le dessus et le dessous des batteries.. Ces coussinets en silicone aident à évacuer la chaleur des zones moins exposées au flux d'air., améliorant ainsi l'efficacité globale du refroidissement.

Dans les climats plus froids, le système de refroidissement par air peut inclure des éléments chauffants pour préchauffer les batteries afin de garantir qu'elles fonctionnent dans la plage de température optimale. Cela garantit que les batteries ne fonctionnent pas mal en raison des températures froides..

c. Avantages et inconvénients

Avantages: La simplicité de la conception refroidie par air le rend non seulement facile à mettre en œuvre, mais aussi léger et facile à entretenir. Cette simplicité permet de réduire les coûts car moins de composants complexes sont nécessaires. C’est une méthode largement applicable et non polluante.

Désavantages: toutefois, le refroidissement par air a une capacité de refroidissement limitée, faible coefficient de transfert de chaleur et sensible aux conditions ambiantes. Fiabilité réduite dans des conditions de surchauffe ou de refroidissement excessif. Moins efficace pour gérer les charges thermiques élevées.

2. Refroidissement liquide

Le refroidissement liquide fait référence à l'utilisation de fluides de refroidissement liquides tels que l'eau., huile minérale, glycol, etc. pour le refroidissement. Il offre une meilleure capacité d’échange thermique par rapport au refroidissement par air.

un. Principe

Le principe du refroidissement liquide est de faire circuler le liquide de refroidissement dans le système en contact direct ou indirect avec les éléments de la batterie., afin d'évacuer la chaleur générée par la batterie pour dissiper la chaleur. Il est généralement divisé en refroidissement liquide par contact direct et refroidissement liquide par contact indirect.

Refroidissement liquide par contact direct: Il s'agit de plonger la batterie directement dans le liquide de refroidissement., de sorte que le liquide de refroidissement soit en contact direct avec la batterie pour atteindre l'objectif de dissipation thermique.

Refroidissement liquide par contact indirect: Il s'agit de l'installation de plaques froides et de canaux d'écoulement autour de la batterie ou entre les cellules de la batterie.. Le liquide de refroidissement circule à travers ces canaux de plaques froides et évacue la chaleur générée par la batterie pour la dissiper..

b. Appareil

En pratique, le refroidissement liquide varie en complexité. Les systèmes simples peuvent impliquer des conceptions de canaux simples, tandis que les systèmes plus avancés peuvent utiliser des configurations complexes pour assurer une répartition uniforme de la température sur toutes les cellules de la batterie.. Cela peut inclure l'optimisation du matériau de la plaque froide, sa position par rapport à la batterie et le choix du liquide de refroidissement. Mais il a un prix plus élevé, dans certains véhicules électriques, le liquide de refroidissement circule dans les canaux (semblable à un serpent) qui entourent chaque cellule de batterie pour maximiser l'absorption de la chaleur.

c. Avantages et inconvénients

Avantages: Comme le liquide de refroidissement a une capacité thermique et une conductivité thermique plus élevées que l'air, le processus d'échange thermique du refroidissement liquide est plus direct, efficace et fermé, donc son contrôle de température, la capacité d'égalisation de la température et l'effet de dissipation thermique sont meilleurs que le refroidissement par air. De plus, il est très flexible et peut être conçu et ajusté en fonction des conditions spécifiques du système de batterie en termes de plaque froide, pipeline et liquide de refroidissement. Et l'environnement extérieur a peu d'influence, et il est toujours efficace dans diverses conditions environnementales.

Désavantages: Le refroidissement liquide nécessite la sélection d'un liquide de refroidissement approprié, l'ajout de dispositifs supplémentaires de circulation du liquide de refroidissement, et une exigence plus élevée en matière d'étanchéité pour éviter les risques de fuite. Il est donc structurellement complexe, ce qui rendra plus difficile le maintien à un stade ultérieur, et peut également augmenter la taille et le poids de la batterie globale, avec un coût de fabrication plus élevé que le refroidissement par air.

3. Refroidissement des matériaux à changement de phase

un.Principe

Le refroidissement du matériau à changement de phase consiste à utiliser le matériau à changement de phase comme moyen de refroidissement, utiliser dans le processus de réaction de changement de phase les changements d'état physique pour absorber ou libérer la chaleur de la batterie.

Les matériaux à changement de phase sont classés comme inorganiques, matériaux organiques et composites. Matériaux inorganiques à changement de phase, comme le graphite et l'eau de cristallisation, avoir une enthalpie de changement de phase élevée, conductivité thermique élevée, mais aussi un sous-refroidissement élevé et une mauvaise stabilité thermique. Matériaux organiques à changement de phase, comme la paraffine et l'acide acétique, sont non corrosifs, ont un faible sous-refroidissement et sont chimiquement stables. Les matériaux composites à changement de phase sont des matériaux organiques et inorganiques utilisés ensemble pour assurer une meilleure gestion thermique des batteries lithium-ion..

b. Appareil

Les matériaux à changement de phase utilisés dans les batteries lithium-ion nécessitent généralement: densité thermique élevée du matériau, chaleur latente élevée; conductivité thermique élevée, processus rapide d'absorption et de dégagement de chaleur. Bonne stabilité, pas facile à décomposer ainsi que des réactions secondaires avec les matériaux environnants, long cycle de vie, ne provoquera pas d’effets néfastes sur le système.

c. Avantages et inconvénients

Avantages: Meilleur effet de contrôle de la température et capacité de température homogène, conductivité thermique et absorption thermique significatives des matériaux à changement de phase, construction compacte, utilisation élevée de l'espace.

Désavantages: Un refroidissement efficace par changement de phase nécessite un contrôle précis de la température. Les matériaux à changement de phase peuvent être coûteux et devoir être remplacés périodiquement.

En résumé, tandis que le refroidissement par changement de phase offre des avantages en termes de refroidissement passif et de stabilisation de la température., cela nécessite une gestion précise de la température. Il est souvent utilisé en combinaison avec d'autres méthodes de refroidissement pour fournir une solution de gestion thermique plus complète pour les batteries lithium-ion., en particulier dans les applications où l'espace est limité et où le refroidissement passif est favorisé.

4. Refroidissement hybride

un.Principe

Le refroidissement hybride des batteries lithium-ion combine deux ou plusieurs méthodes de refroidissement pour tirer parti des avantages de chacune.. Cette stratégie de refroidissement répond aux limites d'une méthode de refroidissement unique en intégrant les avantages d'une méthode de refroidissement unique pour obtenir une gestion thermique plus efficace..

Les combinaisons courantes incluent le refroidissement par air et le refroidissement des matériaux à changement de phase, refroidissement par liquide et refroidissement par matériau à changement de phase, etc.

b. Appareil

En pratique, les systèmes de refroidissement hybrides peuvent être personnalisés pour répondre aux besoins spécifiques de gestion thermique d'une batterie. Ils peuvent être conçus pour s'adapter à différentes conditions de fonctionnement et peuvent être optimisés pour gérer efficacement différentes charges thermiques.. Cette adaptabilité fait du refroidissement hybride une option intéressante pour une variété d'applications., en particulier là où les performances et la sécurité de la batterie sont essentielles.

c. Avantages et inconvénients

Avantages: En combinant différentes méthodes de refroidissement, les défauts qui existent dans une seule méthode de refroidissement thermique sont résolus. Diverses charges thermiques peuvent être gérées plus efficacement, ce qui le rend adapté à diverses applications. Et grâce à sa flexibilité de conception, il peut également être mieux adapté à diverses configurations de batterie et contraintes d'espace.

Désavantages: L'intégration de plusieurs technologies de refroidissement peut entraîner une complexité et des coûts plus élevés par rapport aux systèmes à méthode unique. Atteindre l'équilibre optimal et l'intégration des différentes technologies de refroidissement nécessite également une conception et une ingénierie minutieuses.. Au fil du temps, la complexité d'un système hybride peut entraîner des exigences de maintenance plus élevées.

Le refroidissement hybride des batteries lithium-ion offre une solution complexe qui combine les avantages de diverses méthodes de refroidissement pour une gestion thermique améliorée.. Ces systèmes offrent des performances de refroidissement et une polyvalence supérieures tout en ajoutant de la complexité et des coûts.. Leur capacité à fournir une régulation thermique personnalisée les rend particulièrement bien adaptés aux applications de batteries avancées où la sécurité, l'efficacité et la durée de vie sont essentielles.

En résumé, le choix de la méthode de refroidissement des batteries lithium-ion dépend d’un équilibre délicat entre efficacité, coût, complexité et exigences spécifiques à l’application. Le refroidissement par air est simple et économique, mais a une efficacité de refroidissement limitée, ce qui le rend adapté aux applications moins exigeantes ou en combinaison avec d'autres méthodes. Le refroidissement liquide excelle dans les applications exigeantes en raison de ses capacités supérieures de transfert de chaleur, qui sont souvent améliorés par l'intégration du refroidissement des matériaux à changement de phase pour améliorer l'uniformité de la température. Le refroidissement hybride intègre diverses technologies de refroidissement pour offrir une meilleure gestion thermique, en particulier dans les applications haute densité et hautes performances. Le développement de cette gamme diversifiée de technologies de refroidissement ouvre la voie à des solutions plus efficaces., des systèmes de batteries fiables et adaptables à l’avenir.

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