Zer da Kudeaketa Termikoa Sistema?
Kudeaketa Termikoa Sistema
Baterien kudeaketa termikoa, tenperaturak bateriaren errendimenduan duen eraginan oinarrituta, bateriaren ezaugarri elektrokimikoekin eta beroa sortzeko mekanismoekin konbinatuta, eta bateria zehatz baten karga/deskarga tenperatura-tarte optimoan oinarritua, bateriaren funtzionamenduan tenperatura baxu edo altuek eragindako bero xahutzeari edo ihes termikoari aurre egiten dion teknologia da. Hori diseinu arrazionalaren bidez lortzen da eta materialen zientzian, elektrokimikan, bero-transferentzian, dinamika molekularrean eta beste diziplina batzuetan oinarritzen da. Funtzionamendu-tenperatura-tarte egokia mantentzea ezinbestekoa da bateria-paketearen errendimendu ona mantentzeko. Hori dela eta, litio--ioizko bateria-paketeetarako kudeaketa termiko zentzuzko eskema bat diseinatzeak garrantzi handia du bateria-sistemaren errendimendu orokorra hobetzeko.
Bateriaren kudeaketa termikoaren sistemak bost funtzio nagusi hauek ditu: ① bateriaren tenperaturaren neurketa eta jarraipena zehatza; ② Bero xahutze eta aireztapen eraginkorra bateria-paketearen tenperatura altuegia denean; ③ beroketa azkarra-tenperatura baxuko baldintzetan; ④ aireztapen eraginkorra gas kaltegarriak sortzen direnean; eta ⑤ bateria-paketearen barruan tenperatura banaketa uniformea bermatzea.
Bateriaren Kudeaketa Termikoaren Sistemaren Diseinu Prozesua
-Errendimendu handiko bateriak kudeatzeko sistema termikoak diseinu sistematikoa behar du. Gaur egun, kudeaketa termikoko sistemen diseinu-metodologia asko daude. Gehien erabiltzen dena Estatu Batuetako Energia Berriztagarrien Laborategi Nazionalak (NREL) diseinatutako bateria-paketeen kudeaketa termikoko sistema bat da, eta bere diseinu-prozesuak zazpi urrats ditu:
1) Kudeaketa termikoaren sistemaren auto-kalibrea eta eskakizunak zehaztu. Bateriaren tenperatura-ezaugarrietan eta funtzionamendu-tenperatura-tarte egokian oinarrituta, zehaztu kudeaketa termikoaren sistemaren auto-kontroleko kalibrea. Esate baterako, litio-ioizko baterien funtzionamendu-tenperatura egokia 10~40 gradukoa da, -tenperatura-muga baxua 0 gradukoa eta-tenperatura-muga altua 45 gradukoa. Hori dela eta, kudeaketa termikoaren sistemaren diseinuak, bateriaren funtzionamendu-tenperatura muturrekoak betetzen dituen bitartean, bateriaren funtzionamendu-tenperatura-eskakizun egokiak betetzen ahalegindu beharko luke.
2) Moduluaren bero-sorkuntza eta bero-ahalmena neurtzea edo estimatzea. Bateriaren karga--deskarga proben eta bateriaren bero-ahalmen espezifikoan oinarritutako simulazio-kalkuluen bidez, zehaztu beroa xahutzea edo berokuntza-potentzia.
3) Kudeaketa termikoaren sistemaren hasierako ebaluazioa, beroa transferitzeko bitartekoa hautatzea eta beroa xahutzeko egitura diseinatzea barne. Orokorrean, bateria hoztea airearen hoztearen edo likidoaren hoztearen bidez lortzen da. Airea hozteko sistemak nahiko sinpleak dira egituraz baina eraginkorrak ez direnak; likidoa hozteko sistemak egitura konplexuak dira, baina oso eraginkorrak. Berokuntza-metodo desberdinak ere badaude, hala nola, zirkulazio-aire beroaren berokuntza, likido-fluxua berotzea eta bero-iturritik zuzeneko erradiazio termikoko berokuntza.
4) Iragar ezazu moduluaren eta bateria-paketearen portaera termikoa. Bateriaren funtzionamendu-baldintzen arabera, aurreikusi eta ebaluatu beroa xahutzeko eta berotzeko baldintzak aplikazioan zehar.
5) Kudeaketa termikoaren sistemaren aurreproiektua. Zehaztutako bero-elementuan eta portaera termikoaren ebaluazioaren emaitzetan oinarrituta, kudeaketa termikoaren sistemaren printzipioa eta ingeniaritza-diseinua egin.
6) Kudeaketa termikoaren sistema diseinatu eta probatu. Ekoiztu eskala-behera edo-eskala osoko bateria-sistemak eta bateria-kudeaketako sistema termikoa, eta egiaztatu kudeaketa-sistema termikoaren eraginkortasuna benetako funtzionamendu-baldintza simulatuetan proba-banku batean.
7) Kudeaketa termikoaren sistema optimizatu. Kudeaketa termikoaren sistema hobetu eta optimizatu, emaitza esperimentaletan oinarrituta.
Kudeaketa termikoaren sistemaren diseinu-prozesuan egitura eta parametroen hautaketa
Bateriaren Eremu Termikoaren Kalkulua eta Tenperaturaren Iragarpena
Pilak ez dira beroaren eroale onak. Azaleko tenperaturaren banaketa bakarrik ezagutzea ez da nahikoa bateriaren barne-egoera termikoa guztiz ulertzeko. Barne tenperatura-eremua eredu matematikoen bidez kalkulatzea eta bateriaren portaera termikoa aurreikustea ezinbesteko urratsa da bateriaren kudeaketa termikoaren sistemak diseinatzeko. Gaur egun, eredu matematiko nagusiek bi-dimentsioko eta hiru-dimentsioko ereduak dituzte. Horien artean, hiru-dimentsioko eredua, bere zehaztasun eta moldagarritasun bikainagatik, asko erabili da bateriaren kudeaketa termikoko sistema askotan. Eredua honakoa da:
Non T tenperatura den;
ρ batez besteko dentsitatea da;
c_p bateriaren bero-ahalmen espezifikoa da;
λ_x, λ_y, λ_z bateriaren eroankortasun termikoa dira x, y eta z norabideetan, hurrenez hurren;
q bolumen-unitateko bero-sorkuntza-tasa da.
Kudeaketa Sistema Termikoa Beroa xahutzeko egituraren diseinua
Bateriaren kutxan dauden bateria-modulu desberdinen arteko tenperatura-diferentziak bateriaren barne-erresistentzian eta edukieran inkoherentziak areagotzen ditu. Denboraren poderioz, horrek bateria batzuk gehiegi kargatzea edo{1}}gehiegi deskargatzea ekar dezake, haien bizi-iraupenari eta errendimenduari eraginez eta segurtasun-arriskuak sortuz. Bateriaren kutxan dauden bateria-moduluen arteko tenperatura-desberdintasunak oso lotuta daude bateria-paketearen antolaketarekin. Orokorrean, erdialdean dauden pilek beroa pilatu ohi dute, ertzetakoek, berriz, bero xahutze hobea dute. Hori dela eta, bateria-paketearen egitura eta beroa xahutzea diseinatzerakoan, funtsezkoa da beroaren xahupen uniformea ziurtatzea. Airea hoztea adibidetzat hartuta, orokorrean bi aireztapen metodo daude: seriea eta paraleloa, beroaren xahupen uniformea bermatzeko. Aire-fluxuaren diseinuak fluidoen mekanikaren eta aerodinamikaren oinarrizko printzipioei eutsi behar die.
Haizagailuen eta Tenperatura Neurtzeko Puntuak hautatzea
Baterien kudeaketa termikoaren sistema bat diseinatzerakoan, haizagailuaren mota eta potentzia, tenperatura sentsore kopurua eta neurketa puntuen kokapena arretaz aukeratu behar dira.
Aire hoztea adibide gisa hartuta, hozte-sistema diseinatzerakoan, hozte-efektu jakin bat bermatuz, fluxuaren erresistentzia gutxitu egin behar da haizagailuaren zarata eta energia-kontsumoa murrizteko, eta horrela sistemaren eraginkortasun orokorra hobetzeko. Haizagailuaren potentzia-kontsumoa presio-jaitsiera eta emaria kalkulatuz kalkulatu daiteke, kalkulu esperimental, teoriko eta fluidoen dinamika (CFD) metodoak erabiliz. Fluxu-erresistentzia baxua denean, fluxu axialak har daitezke; fluxuaren erresistentzia handia denean, haizagailu zentrifugoak egokiagoak dira. Noski, haizagailuak hartzen duen espazioa eta bere kostua ere kontuan hartu behar dira. Haizagailuen kontrolerako estrategia optimoa aurkitzea ere kudeaketa termikoko sistema baten funtzioetako bat da.
Bateriaren kaxa barruan bateria-paketearen tenperatura-banaketa, oro har, irregularra da, beraz, beharrezkoa da bateria-paketearen eremu termikoaren banaketa baldintza desberdinetan ezagutzea tenperatura-puntu kritikoak zehazteko. Tenperatura-sentsore gehiagok tenperatura neurketa zabalagoa eskaintzen dute, baina sistemaren kostua eta konplexutasuna areagotzen dute. Ingeniaritza-testuinguru zehatzaren arabera, teorikoki, elementu finituen analisia, esperimentuetako irudi termiko infragorriak edo denbora errealeko -puntu anitzeko-tenperaturaren monitorizazioa erabil daiteke bateria-paketearen, bateria-moduluen eta banakako zelulen eremu termikoaren banaketa aztertzeko eta neurtzeko, tenperatura neurtzeko puntu kopurua zehaztuz eta puntu egokiak aurkitzeko eremu ezberdinetan. Diseinu orokor batek tenperatura-sentsoreak hozte-fluxuaren eraginpean ez daudela ziurtatu behar du, tenperatura-neurketen zehaztasuna eta egonkortasuna hobetzeko. Bateria diseinatzerakoan, tenperatura sentsoreentzako lekua gorde behar da; adibidez, leku egokietan bao egokiak diseinatu daitezke. Toyota-ren Prius ibilgailu elektriko hibridoaren bateria-paketeak 228 zelula indibidual ditu, eta tenperaturaren jarraipena 5 tenperatura sentsoreren bidez egiten da. Beijingeko Teknologia Institutuak diseinatutako autobus elektrikoko bateria-sistemak tenperatura neurtzeko 6 puntu erabiltzen ditu kutxa bakoitzeko (ikusi borobildutako eremua 8-16a irudian), terminal positibo eta negatiboetan eta bateria-kutxako linea elektrikoaren irteera puntuetan kokatuta, 8-16 irudian ikusten den moduan.
Kudeaketa Termikoaren Sistemaren Diseinua eta Ezarpena
Bero-transferentziako ertainean oinarrituta, bateria-paketeen kudeaketa termikoaren sistemen hoztea hiru motatan bana daiteke: aire-hozte, likido-hozte eta fase-aldaketako material-hozte. Materialen ikerketa- eta garapen- eta fabrikazio-kostuak kontuan hartuta, gaur egun beroa xahutzeko sistema eraginkor eta erabiliena airea erabiltzen du beroa xahutzeko bitarteko gisa.
Beroa xahutzeko aire-fluxuaren egituran oinarrituta, airea hozteko sistemak bi motatan bana daitezke: serieko aireztapena eta aireztapen paraleloa, 8-17 eta 8-18 irudietan, hurrenez hurren.
Serie-konfigurazio batean, normalean airea bateria-paketearen alde batetik bestera isurtzen da beroa kentzeko. Dena den, aire-fluxu honek beroa eramaten du lehenago igarotzen diren guneetatik geroago igarotzen diren guneetara, eta ondorioz tenperatura ez-koherenteak eta tenperatura-desberdintasun handiak sortzen dira. Konfigurazio paralelo batean, moduluen arteko aire-fluxua bertikalki igotzen da, airea modu uniformeagoan banatzen du eta bateria-pakete osoan beroaren xahupen koherentea bermatuz.
Kudeaketa termikoaren sistemak sistema pasibo eta aktiboetan sailka daitezke, barne berokuntza edo hozte gailuak dituzten kontuan hartuta. Sistema pasiboak merkeagoak dira eta azpiegitura sinpleagoak behar dituzte; sistema aktiboak konplexuagoak dira eta potentzia gehigarri handiagoa behar dute, baina errendimendu hobea eskaintzen dute.
8-19, 8-20 eta 8-21 irudiek airearen berokuntza aktibo eta pasiboaren eta beroa xahutzeko egituren eskema-diagramak erakusten dituzte, hurrenez hurren.
8-19 eta 8-20 irudietan, autoaren aire girotua edo berokuntza sistemaren bidez airea hoztu eta berotu bada ere, sistema pasibotzat hartzen da oraindik. Sistema pasibo honekin, sartutako giro-airearen tenperaturaren ezegokitasuna dela eta, giro-aireak tenperatura-tarte jakin baten barruan funtzionatu behar du (10 ~ 35 gradu) kudeaketa termiko egokia izateko. Egoera oso hotzetan edo beroetan funtzionatzeak desberdintasun handiagoak sor ditzake bateria-paketean.
Berokuntza-sistemetan, bateria-paketean aire beroa sartzeaz gain, beste metodo batzuk erabil daitezke, 8-22~8-25 irudietan (pila prismatikoetarako).
