Confronto dei metodi di raffreddamento per la dissipazione del calore del pacco batteria agli ioni di litio: raffreddamento ad aria vs. raffreddamento a liquido vs. raffreddamento del materiale a cambiamento di fase vs. raffreddamento ibrido

Nel campo della tecnologia delle batterie agli ioni di litio, soprattutto per batterie di potenza e di accumulo di energia (per esempio., batterie in sistemi di accumulo di energia containerizzati), l'uniformità della temperatura all'interno del modulo batteria è un fattore chiave per le prestazioni complessive. Differenze significative di temperatura tra i moduli batteria possono esacerbare le incoerenze nella resistenza interna e nella capacità. Col tempo, ciò può portare al sovraccarico o allo scaricamento eccessivo di alcune celle della batteria, che possono influire sul ciclo di vita e sulle prestazioni della batteria e possono rappresentare un pericolo per la sicurezza. Perciò, il mantenimento di una temperatura operativa ottimale è fondamentale per il funzionamento efficiente della batteria agli ioni di litio. Dissipazione del calore del pacco batteria, La tecnologia di raffreddamento chiamata anche gestione termica gioca un ruolo chiave in questo senso. Implica il trasferimento del calore interno all'ambiente esterno tramite un mezzo di raffreddamento, riducendo così la temperatura interna. Questo processo è particolarmente importante per le batterie agli ioni di litio, che sono molto sensibili alle variazioni di temperatura. Il calore eccessivo può scatenare reazioni avverse, come la pellicola di interfaccia dell'elettrolita solido (SEI film) decomposizione all'interno della batteria, che possono compromettere seriamente la durata della batteria. Perciò, un efficace sistema di dissipazione del calore della batteria è importante per migliorare le prestazioni complessive del pacco batteria.

Attualmente, i metodi comuni di dissipazione del calore del pacco batteria agli ioni di litio sono: aria condizionata, raffreddamento a liquido, raffreddamento del materiale a cambiamento di fase e raffreddamento ibrido. Qui daremo uno sguardo dettagliato a questi tipi di dissipazione del calore.

1. Aria condizionata

Aria condizionata, utilizzando principalmente l'aria come mezzo di scambio termico, raffredda la batteria riscaldata agli ioni di litio attraverso la circolazione dell'aria. Questo è un metodo comune di dissipazione del calore per i pacchi batteria agli ioni di litio, che è favorito per la sua semplicità ed efficacia in termini di costi.

UN. Principio

Il raffreddamento ad aria delle batterie agli ioni di litio si ottiene mediante due metodi principali:

Raffreddamento a convezione naturale: Questo metodo utilizza il flusso d'aria naturale per scopi di dissipazione del calore. È un sistema passivo in cui l'aria ambiente circola attorno al pacco batteria, assorbendo e portando via il calore generato dalla batteria.

Raffreddamento a convezione forzata: Rispetto alla convezione naturale, il raffreddamento a convezione forzata utilizza ventilatori o condotti d'aria appositamente progettati per formare un flusso d'aria corrispondente in uno spazio specifico ai fini della dissipazione del calore.

La differenza tra i due è che l'aria scorre a velocità diverse, ed è prassi comune nella progettazione confrontare l'effetto di raffreddamento confrontando diverse velocità del flusso d'aria. Un design diverso dell'uscita dell'aria porterà a una diversa distribuzione del campo di velocità e del campo di temperatura.

B. Apparecchio

L'efficienza del raffreddamento dell'aria è fortemente influenzata dalla progettazione del percorso del flusso d'aria. Per esempio, avere ingressi e uscite a ciascuna estremità del pacco batteria può favorire un percorso dell'aria più uniforme, raffreddando così efficacemente l'intero pacco batteria.

La regolazione della spaziatura tra le celle della batteria favorisce un flusso d'aria ottimale e garantisce un raffreddamento uniforme di ciascuna cella della batteria. È inoltre possibile utilizzare materiali termicamente conduttivi, come i cuscinetti in silicone, sulla parte superiore e inferiore delle batterie. Questi cuscinetti in silicone aiutano a condurre il calore lontano dalle aree meno esposte al flusso d'aria, migliorando così l'efficienza complessiva del raffreddamento.

Nei climi più freddi, il sistema di raffreddamento ad aria può includere elementi riscaldanti per preriscaldare le batterie per garantire che funzionino nell'intervallo di temperatura ottimale. Ciò garantisce che le batterie non funzionino male a causa delle basse temperature.

C. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: La semplicità del design raffreddato ad aria lo rende non solo facile da implementare, ma anche leggero e di facile manutenzione. Questa semplicità consente di risparmiare sui costi poiché sono necessari meno componenti complessi. È un metodo ampiamente applicabile e non inquinante.

Svantaggi: però, il raffreddamento ad aria ha una capacità di raffreddamento limitata, basso coefficiente di trasferimento del calore ed è sensibile alle condizioni ambientali. Affidabilità ridotta in condizioni di surriscaldamento o raffreddamento eccessivo. Meno efficace nella gestione di carichi termici elevati.

2. Raffreddamento a liquido

Il raffreddamento a liquido si riferisce all'uso di mezzi di raffreddamento liquidi come l'acqua, olio minerale, glicole, eccetera. per il raffreddamento. Fornisce una migliore capacità di scambio termico rispetto al raffreddamento ad aria.

UN. Principio

Il principio del raffreddamento a liquido è quello di far circolare il liquido refrigerante nel sistema a contatto diretto o indiretto con le celle della batteria, in modo da togliere il calore generato dalla batteria per dissipare il calore. Di solito è suddiviso in raffreddamento a liquido a contatto diretto e raffreddamento a liquido a contatto indiretto.

Raffreddamento a liquido a contatto diretto: Si riferisce all'immersione della batteria direttamente nel liquido di raffreddamento, in modo che il liquido di raffreddamento sia a diretto contatto con il pacco batteria per raggiungere lo scopo di dissipazione del calore.

Raffreddamento a liquido a contatto indiretto: Si riferisce all'installazione di piastre fredde e canali di flusso attorno alla batteria o tra le celle della batteria. Il liquido di raffreddamento scorre attraverso questi canali della piastra fredda e asporta il calore generato dalla batteria per la dissipazione del calore.

B. Apparecchio

In pratica, il raffreddamento a liquido varia in complessità. I sistemi semplici possono comportare progetti di canali semplici, mentre i sistemi più avanzati possono utilizzare layout complessi per garantire una distribuzione uniforme della temperatura su tutte le celle della batteria. Ciò può includere l'ottimizzazione del materiale della piastra fredda, la sua posizione rispetto alla batteria e la scelta del liquido di raffreddamento. Per esempio, in alcuni veicoli elettrici, il liquido refrigerante scorre attraverso i canali (simile ad un serpente) che circondano ciascuna cella della batteria per massimizzare l'assorbimento del calore.

C. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: Poiché il liquido di raffreddamento ha una capacità termica e una conduttività termica superiori rispetto all'aria, il processo di scambio termico del raffreddamento a liquido è più diretto, efficiente e chiuso, quindi il suo controllo della temperatura, La capacità di equalizzazione della temperatura e l'effetto di dissipazione del calore sono migliori del raffreddamento ad aria. Inoltre, è altamente flessibile e può essere progettato e regolato in base alle condizioni specifiche del sistema batteria in termini di piastra fredda, conduttura e liquido di raffreddamento. E l'ambiente esterno ha poca influenza, ed è ancora efficace in varie condizioni ambientali.

Svantaggi: Il raffreddamento a liquido richiede la selezione di un refrigerante adatto, l'aggiunta di ulteriori dispositivi di circolazione del liquido di raffreddamento, e un requisito più elevato per la sua sigillatura per prevenire il rischio di perdite. Pertanto è strutturalmente complesso, il che renderà più difficile il mantenimento in una fase successiva, e potrebbe anche aumentare le dimensioni e il peso dell'intero pacco batteria, con un costo di produzione più elevato rispetto al raffreddamento ad aria.

3. Raffreddamento del materiale a cambiamento di fase

UN.Principio

Il raffreddamento del materiale a cambiamento di fase consiste nell'utilizzare il materiale a cambiamento di fase come mezzo di raffreddamento, utilizzando nel processo di reazione a cambiamento di fase lo stato fisico cambia per assorbire o rilasciare il calore della batteria.

I materiali a cambiamento di fase sono classificati come inorganici, materiali organici e compositi. Materiali inorganici a cambiamento di fase, quali grafite e acqua di cristallizzazione, hanno un'entalpia elevata di cambiamento di fase, elevata conduttività termica, ma anche elevato sottoraffreddamento e scarsa stabilità termica. Materiali organici a cambiamento di fase, come paraffina e acido acetico, non sono corrosivi, hanno un basso sottoraffreddamento e sono chimicamente stabili. I materiali compositi a cambiamento di fase sono materiali organici e inorganici utilizzati insieme per fornire una migliore gestione termica delle batterie agli ioni di litio.

B. Apparecchio

I materiali a cambiamento di fase applicati nei pacchi batteria agli ioni di litio di solito richiedono: elevata densità di calore del materiale, elevato calore latente; elevata conduttività termica, rapido processo di assorbimento e rilascio del calore. Buona stabilità, non facile da decomporre così come reazioni collaterali con i materiali circostanti, lungo ciclo di vita, non causerà effetti negativi sul sistema.

C. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: Migliore effetto di controllo della temperatura e capacità di temperatura omogenea, significativa conduttività termica e assorbimento di calore dei materiali a cambiamento di fase, struttura compatta, elevato utilizzo dello spazio.

Svantaggi: Un raffreddamento efficace a cambiamento di fase richiede un controllo preciso della temperatura. I materiali a cambiamento di fase possono essere costosi e potrebbe dover essere sostituiti periodicamente.

In sintesi, mentre il raffreddamento a cambiamento di fase offre vantaggi in termini di raffreddamento passivo e stabilizzazione della temperatura, richiede una gestione precisa della temperatura. Viene spesso utilizzato in combinazione con altri metodi di raffreddamento per contribuire a fornire una soluzione di gestione termica più completa per le batterie agli ioni di litio, soprattutto nelle applicazioni in cui lo spazio è limitato ed è privilegiato il raffreddamento passivo.

4. Raffreddamento ibrido

UN.Principio

Il raffreddamento ibrido delle batterie agli ioni di litio combina due o più metodi di raffreddamento per sfruttare i vantaggi di ciascuno. Questa strategia di raffreddamento risolve i limiti di un unico metodo di raffreddamento integrando i vantaggi di un unico metodo di raffreddamento per ottenere una gestione termica più efficiente.

Le combinazioni comuni includono il raffreddamento ad aria e il raffreddamento del materiale a cambiamento di fase, raffreddamento a liquido e raffreddamento del materiale a cambiamento di fase, eccetera.

B. Apparecchio

In pratica, i sistemi di raffreddamento ibridi possono essere personalizzati per soddisfare le specifiche esigenze di gestione termica di un pacco batteria. Possono essere progettati per adattarsi a diverse condizioni operative e possono essere ottimizzati per gestire in modo efficiente diversi carichi termici. Questa adattabilità rende il raffreddamento ibrido un'opzione interessante per una varietà di applicazioni, soprattutto dove le prestazioni e la sicurezza della batteria sono fondamentali.

C. Vantaggi e svantaggi

Vantaggi: Combinando diversi metodi di raffreddamento, le carenze esistenti in un unico metodo di raffreddamento termico vengono risolte. Diversi carichi termici possono essere gestiti in modo più efficace, rendendolo adatto a varie applicazioni. E con la sua flessibilità progettuale, può anche essere adattato meglio a varie configurazioni di batterie e vincoli di spazio.

Svantaggi: L’integrazione di più tecnologie di raffreddamento può portare a complessità e costi maggiori rispetto ai sistemi a metodo singolo. Raggiungere l'equilibrio ottimale e l'integrazione di diverse tecnologie di raffreddamento richiede anche un'attenta progettazione e ingegnerizzazione. Col tempo, la complessità di un sistema ibrido può portare a requisiti di manutenzione più elevati.

Il raffreddamento ibrido delle batterie agli ioni di litio fornisce una soluzione complessa che combina i vantaggi di vari metodi di raffreddamento per una migliore gestione termica. Questi sistemi forniscono prestazioni di raffreddamento e versatilità superiori, aggiungendo allo stesso tempo complessità e costi. La loro capacità di fornire una regolazione termica personalizzata li rende particolarmente adatti ad applicazioni avanzate di batterie in cui è richiesta la sicurezza, l'efficienza e la durata sono fondamentali.

In sintesi, la scelta del metodo di raffreddamento della batteria agli ioni di litio dipende da un delicato equilibrio di efficienza, costo, complessità e requisiti specifici dell’applicazione. Il raffreddamento ad aria è semplice ed economico, ma ha un'efficienza di raffreddamento limitata, rendendolo adatto per applicazioni meno impegnative o in combinazione con altri metodi. Il raffreddamento a liquido eccelle nelle applicazioni più impegnative grazie alle sue capacità superiori di trasferimento del calore, che sono spesso migliorati dall'integrazione con il raffreddamento del materiale a cambiamento di fase per migliorare l'uniformità della temperatura. Il raffreddamento ibrido incorpora una varietà di tecnologie di raffreddamento per fornire una migliore gestione termica, soprattutto in applicazioni ad alta densità e ad alte prestazioni. Lo sviluppo di questa gamma diversificata di tecnologie di raffreddamento apre la strada a una maggiore efficienza, sistemi di batterie affidabili e adattabili in futuro.

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